凝固点降低法测定摩尔质量.docx
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凝固点降低法测定摩尔质量
凝固点降低测定摩尔质量之马矢奏春创作
创作时间:
贰零贰壹年柒月贰叁拾日
姓名:
张健
班级:
材02
学号:
2010011938
同组姓名:
李根
实验日期:
2012-03-17
带实验老师:
李琛
1引言
理想稀薄溶液具有依数性,其凝固点下降的数值只和所含溶质的粒子数目有关,而与溶质的特性无关。
因此,通过测定溶液凝固点下降的数值,可以求出未知化合物的摩尔质量。
本实验以去离子水和尿素为例,通过绘出尿素的水溶液的过冷曲线,确定出尿素的水溶液凝固点的降低值,进而求得尿素的摩尔质量。
同时通过本实验,掌握用凝固点降低测定未知化合物摩尔质量的方法。
一 实验目的
1、用凝固点降低法测定尿素的摩尔质量。
2、训练间接误差计算方法。
二 实验原理
在溶液浓度很稀时,如果溶质与溶剂不生成固溶体,溶液的凝固点降低值
与溶质的质量摩尔浓度
(mol·kg-1)成正比,即
(4-1)
或
(4-2)
(4-3)
式中
—溶剂的质量(kg)
—溶质的质量(kg)
—溶剂的凝固点降低常数(K·kg·mol-1)
—溶质的摩尔质量(kg·mol-1)。
若已知
,测得
,即可用式(4-3)求得
。
纯溶剂和溶液在冷却过程中,其温度随时间而变更的冷却曲线见图4-1所示。
纯溶剂的冷却曲线见图4-1(a),曲线中的低下部分暗示发生了过冷现象,即溶剂冷至凝固点以下仍无固相析出,这是由于开始结晶出的微小晶粒的饱和蒸气压大于同温度下普通晶体的饱和蒸气压,所以往往发生过冷现象,即液体的温度要降低到凝固点以下才干析出固体,随后温度再上升到凝固点。
溶液的冷却情况与此分歧,当溶液冷却到凝固点时,开始析出固态纯溶剂。
随着溶剂的析出而不竭下降,在冷却曲线上得不到温度不变的水平线段,如图4-1(b)所示。
因此,在测定浓度一定的溶液的凝固点时,析出的固体越少,测得的凝固点才越准确。
同时过冷程度应尽量减小,一般可采取在开始结晶时,加入少量溶剂的微小晶体作为晶种的方法,以促使晶体生成,溶液的凝固点应从冷却曲线上待温度回升后外推而得,见图4-1(b)。
图4-1纯溶剂(a)和溶液(b)的冷却曲线
2实验部分
2.1仪器、药品及实验条件
仪器:
SWC-IID精密数字温度温差仪;78-2型双向磁力搅拌器;DC-2010节能型智能恒温槽;洗耳球;移液管(25ml);(装置示意图见下)
图2-7-2凝固点降低实验装置图
药品:
尿素(分析纯)去离子水
三.实验步调
1仪器装置将恒温槽温度调至-6ºC左右,通入冷阱。
用移液管移取25mL去离子水,加入大试管。
调整数字温度计的测温探头,使探头顶端处于液体的中下部。
调整磁力搅拌器转速旋钮至适当旋转速度,坚持恒定。
2溶剂凝固点的测定观察数字温度计,当温度降至1ºC时,打开秒表,每半分钟记录一次温度值。
当温度降低到最低点后,温度开始回升,说明此时晶体已经在析出。
直到升至最高,在一段时间内恒定不变。
此时温度即为溶剂的凝固点。
取出大试管,不要使溶剂溅到橡皮塞上,用手捂住试管下部片刻或用手抚拭,用手温将晶体全部融化(注意不要使温度升高过多,防止以后实验的降温时间过长)。
将大试管放回冷阱,重复上述操纵。
如此再重复数次,直到取得三个偏差不超出±0.006ºC的值。
取其平均值作为溶剂水的凝固点。
3溶液凝固点的测定取出大试管,在管中加入0.4g左右(准确到0.002g)的尿素,注意不要粘于管壁上(可先将尿素压成片)。
拿掉磁力搅拌器上的冷阱,将大试管直接放在磁力搅拌器上搅拌至全部溶解,然后按装置图将仪器装好。
观察数字温度计,当温度降至1ºC时,打开秒表,每半分钟记录一次温度值,当温度降至最低开始回升后(晶体析出),注意观察,将最高点温度记录下来。
此后再记录6~7个点,实验结束。
四.结果与讨论
1.丈量溶剂水凝固点
时间(s)
温度(℃)
时间(s)
温度(℃)
0
420
30
450
60
480
90
510
120
540
150
570
180
600
210
630
240
660
270
690
300
720
330
750
360
780
390
表1去离子水温度表
时间(s)
温度(℃)
时间(s)
温度(℃)
0
720
30
750
60
780
90
810
120
840
150
870
180
900
210
930
240
960
270
990
300
1020
330
1050
360
1080
390
1110
420
1140
450
1170
480
1200
510
1230
540
1260
570
1290
600
1320
630
1350
660
1380
表2去离子水温度表
.
时间(s)
温度(℃)
时间(s)
温度(℃)
0
600
30
630
60
660
90
690
120
720
150
750
180
780
210
810
240
840
270
870
300
900
330
930
360
960
390
990
420
1020
450
1050
480
1080
510
1110
540
570
表3去离子水温度表
。
2.丈量尿素水溶液的凝固曲线
时间(s)
温度(℃)
时间(s)
温度(℃)
时间(s)
温度(℃)
0
870
1740
30
900
1770
60
930
1800
90
960
1830
120
990
1860
150
1020
1890
180
1050
1920
210
1080
1950
240
1110
1980
270
1140
2010
300
1170
2040
330
1200
2070
360
1230
2100
390
1260
2130
420
1290
2160
450
1320
2190
480
1350
2220
510
1380
2250
540
1410
2280
570
1440
2310
600
1470
2340
630
1500
2370
660
1530
2400
690
1560
2430
720
1590
2460
750
1620
2490
780
1650
2520
810
1680
840
1710
表4尿素水溶液温度表
加入尿素的质量:
0.4001g去离子水体积:
25.00ml,水密度为1.0g/mL,故溶剂质量为:
1.0g/mL*25mL=25g
利用origin作尿素水溶液时间温度曲线如下图
图1尿素水溶液时间温度曲线
如图,取
2220
2250
2280
2310
进行外推,由外推法得尿素水溶液的凝固点为-0.007℃
3数据处理分析
1.通过2中origin作图,可以通过外推法得出尿素水溶液的凝固点为:
-0.007℃
尿素的摩尔质量,并与文献值比较,求其百分误差。
Tf=-(-0.007)=℃
=
文献值为
相对误差为9.74%
3.考虑称量、移液和温度丈量三项误差来源,计算结果的相对误差(分别用平均误差和尺度误差暗示)。
其中Y为间接丈量值,Xk为直接丈量值,两者之间关系为
Y=
结果的相对不确定度公式
电子天平的误差算作0.0002g,移液管的不确定度为0.05ml,温度计的不确定度是0.005,
=
10-2
MB=
∴MB=
g/mol
可见误差的主要来源是温度和质量的丈量,而移液造成的误差要小得多。
3.3讨论分析
1)从文献上查得尿素的原子量为60.0533g/mol,而实测结果为65.90g/mol,这与文献值相差较大,精确度与准确度都不高,个人认为这可能与下面几个方面有关:
A.溶质在溶液中或多或少会发生缔合与分解,而公式①的推导过程是假设上述现象不会发生,因此由公式算出来的值会出现偏差。
B.在实验中冷却水的温度为-5℃,这样的话会对在冷却过程中,寒剂温度过低,过冷太厉害,则凝固热抵偿不了散热,此时温度不克不及回升到凝固点,在温度低于凝固点时完全凝固,就得不到正确的凝固点,使实验值偏差较大。
C.在温度回升过程中,由于析出的晶体的量分歧,回升温度的最高点不容易相同,这也会给实验带来偏差。
D.本组所使用的套管与浴槽规格存在偏差,有可能造成溶剂和溶液里温度不均,同时使数字温度计示数有所动摇,给读取数据时带来误差。
E.结晶所得的固体可能较大,而不是实验要求得到的小冰晶
F.搅拌时有样品溅在器壁上,致使去去离子水量偏少,从而使
偏大
偏小,而由稀溶液依数性可知,尿素的添加量所引起的
减少比例要小于
的减小比例,故由公式
所得的尿素的摩尔质量偏大
2)对实验的看法:
由于本实验需测出溶液的过冷曲线,人工操纵上存在偏差,若是能将数字温度计与电脑终端相连,进行实时绘图,作出的曲线会相对准确。
总的来说,该实验操纵较贝克曼法简单,可靠性较高,能够容易通过此法掌握用凝固点降低测定化合物的摩尔质量。
从实验所得数据可以看出,这次实验在温度测定上不是很精确。
4.结论
实验测得尿素的摩尔质量为
g/mol
五.参考文献
[1]清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京:
清华大学出版社,1991
六.实验总结
通过本次实验学会了用凝固点测定尿素摩尔质量的方法,掌握了凝固点测定药品摩尔质量的原理。
本实验成败的关键为控制过冷程度以及搅拌速度。
只有固相充分分散到液相中,也就是固液两相的接触面相当大时,平衡才干达到。
在实验过程中要尽可能地控制搅拌速度,从而控制溶液的过冷程度,包管小冰晶的形成,并使微小的冰晶与溶液两相充分接触,从而测得固液两相共存的平衡温度。
七.思考题
1.实验中所配溶液浓度太浓或太稀都会使实验结果发生较大的误差。
为什么?
答:
凝固点降低是稀溶液依数性质的一种表示。
当确定了溶剂的种类和数量后,溶剂凝固点降低只和溶液中所含溶质分子的数目有关。
对于理想稀溶液,凝固点降低与溶液成分关系由范霍夫凝固点降低公式给出:
当溶液很稀时,nB< Tf= Kf的数值仅与溶剂的性质有关。 而当太浓时溶液便不会符合稀溶液这一条件,而当太稀时,其改变的凝固点的值过小,晦气于丈量计算。 所以说溶液浓度太浓或太稀都会对实验结果发生较大的误差。 2.测凝固点时,纯溶剂温度回升后能有一相对恒定阶段,而溶液则没有。 为什么? 答: 对于纯溶剂来说,溶剂温度回升后,随着溶剂晶体的不竭析出,溶剂的浓度其实不改变,所以凝固点固定不变;而溶液则分歧,当溶液温度回升后,随着溶液中溶剂晶体的不竭析出,溶液的浓度不竭增大,凝固点会逐渐降低。 3.为什么会发生过冷现象? 答: 在一定压力下,当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点,而液体仍不凝固的现象叫液体的过冷现象。 其发生的原因是结晶。 实际结晶温度低于了理论的结晶温度。 关于结晶温度的解释: 物体在无限缓慢的冷却条件下(即平衡状态下)的结晶温度称为理论结晶温度。 但是,实际情况我们是不成能达到这种无限缓慢的速度的,实际情况下物体结晶的温度就叫做实际结晶温度。 4.原理中计算公式的导出作了哪些近似处理,如何判断本实验中这些假设的合理性? 答: 一共有四个假设,分别为: 假设1.析出的第一粒固体是纯的; 假设2.纯A的摩尔熔化热不随T变更; 假设3.溶液为理想稀薄溶液; 假设4. 详细如下: 凝固点降低的定义 ,其中 、 分别为纯溶剂、溶液的凝固点。 只讨论固相为纯溶剂固体时的情况。 在一定压力下,当溶液温度降低到凝固点时析出的第一粒固体是纯的A(s)。 (假设1)对于纯溶剂A,在凝固点时有: ,则 若加入溶质B,A的化学势将降低。 即 。 溶液凝固点降低。 溶液凝固点时,含A为xA的溶液与纯A固体平衡共存 ,则 取微分得 等压下(通常p=101325Pa),上式变成 如果溶液是理想溶液或理想稀薄溶液,则 代入前式得 式中△S与△H分别暗示凝固点时溶液中1molA可逆地凝固为纯A(s)的熵变和焓变。 又 、 分别暗示纯A的摩尔凝固热和摩尔熔化热,代入前式积分得: 假设纯A的摩尔熔化热不随T变更(假设2),则上式为: 此公式适用于理想稀薄溶液或任意浓度的理想溶液。 只有当 时,溶液才是理想稀薄溶液(假设3),所以可以得到化简式: 即 左端忽略 的高次项,右端 (假设4),化简得: 其中 与 分别为B与A的物质的量;MA是A的摩尔质量,单位kg/mol,则有 若令 则前式可写成 Kf为凝固点降低常数,只与溶剂自己性质有关。 bB为溶液质量摩尔浓度。 对于一般非理想稀薄溶液,在活度 时,有活度系数 ,符合 与 的推导过程,在溶液非常稀薄的情况下,可以认为改溶液为理想稀薄溶液。 所以最终得到溶质摩尔质量计算公式: 实验中加入尿素后的溶液的XB约为0.005《1,所以析出的固体可近似认为是纯的。 而且溶液可以近似认为是理想稀薄溶液。 由于 较小,由于其变更而导致摩尔熔化热的变更可以忽略,而且可以近似认为 。 最终实验结果与理论值较吻合,说明推导过程中的这些近似是合理的。 创作时间: 贰零贰壹年柒月贰叁拾日
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