物化实验报告-凝固点降低法测定摩尔质量

物理化学实验报告凝固点降低法测定摩尔质量一、实验目的1. 用凝固点降低法测定某未知物的摩尔质量2. 学会用步冷曲线对溶液凝固点进行校正3通过本实验了解掌握凝固点降低法测定摩尔质量的原理，加深对桶溶液依数性的理解。二、实验原理桥溶液具有依数性，凝固点降低是依数性的一种表现，它与溶液质量摩尔浓度的关系为：Tf=T；-TKfX%其中，ATf为凝固点降低值，T；、Tf分别为纯溶剂、溶液的凝固点，bp为溶液质量摩尔浓度，Kf为凝 固点降低常数，它只与所用溶剂的特性有关。如果桶溶液是由质屋为1吗的溶质溶于质量为的溶剂中而 构成，则上式可写为：ATf=Kfxl222Mx叫即M = Kf I。叫 (*)ATfmA式中：Kf溶剂的凝固点降低常数(单位为K-kg-mol-1)M溶质的摩尔质量(单位为g/mol)o如果已知溶液的Kf值，则可通过实验测出溶液的凝固点降低值ATf,利用上式即可求出溶质的摩尔 质量。实验中，要测量溶剂和溶液的凝固点之差。对于纯溶剂如图1 (a)所示，将溶剂逐渐降低至过冷(由 于新相形成需要一定的能量，故结晶并不析出)，温度降低至一定值时出现结晶，当晶体生成时，放出的 热量使体系温度回升，而后温度保持相对恒定。对于纯溶剂来说，在一定压力下，凝固点是固定不变的， 直到全部液体凝固成固体后才会下降。相对恒定的温度即为凝固点。对于溶液来说，除温度外还有溶液浓度的影响。当溶液温度回升后，由于不断析出溶剂晶体，所以溶 液的浓度逐渐增人，凝固点会逐渐降低。因此，凝固点不是一个恒定的值。如把回升的最高点温度作为凝 固点，这时由于已有溶剂晶体析出，所以溶液浓度已不是起始浓度，而人于起始浓度，这时的凝固点不是 原浓度溶液的凝固点。要精确测量，应测出步冷曲线，按下一页图1 (b)所示方法，外推至Tf校正。(a)(b)图1溶剂和溶液的步冷曲线三、实验装置，仪器及操作3.1实验药品.仪器型号及测试装置示意图1 仪器精密数字温度计玻璃搅拌棒恒温浴槽冷阱大试管移液管(25ml)分析天平计算机2.药品待测药品蒸馆水3测试装置示意图（见卜图）图2凝固点降低法测定摩尔质量实验装置示意图3. 2实验条件表2实验条件实验温度（C）大气压（kPa）20. 0101. 253-3实验操作步骤及方法要点1. 按装置图将凝固点仪装置安装好。2. 分层加入足量的冰块和仓盐组成冰盐浴。3. 打开精密数字温度计开关。打开计算机，打开计算机，打开其中“凝固点”软件窗II。点击“开始绘 图S计算机即开始读取温度计读数，并且给每次读数编号。同时在左半部分温度一时间图中自动画出温 度随时间变化图。4测定纯溶剂（水）的凝固点，用移液管取25ml蒸馆水直接浸入冰盐浴中搅拌，但需要控制温度，不要 使水在管壁结成块状晶体，较渐变的方法是将凝固管从冰浴中交替的取出和浸入。开始结晶时，先将凝固 管外冰水擦干，然后插入空气套管中搅拌（也可之间放入冰盐浴中进行搅拌，但需要控制冷却的温度）在 温度回升至最高且保持平衡时（此时温度计读数最少1520个点基本保持不变），点击“停止绘图”停止 实验并以excel格式保存所得到的实验数据。完成一组实验后，用手温热凝固管，使环己烷晶体全部溶化, 重新置凝固管于冰浴中，如上法操作重复进行三次。如果在测量过程中过冷现象比较严重，可加入少量晶 种，促使晶体析出，温度回升。5.取出大试管，用分析天平秤取010g左右（准确到0OOOlg）的未知物质加入到凝固管内注意不要粘 于管壁，使其溶解，同上法测定溶液的凝固点并重复测定三次。3. 4实验注意事项注意注意过冷过程和搅拌速度!四.实验数据记录及绘图纯水12.521.510.50 -0.52.521.510.50-0.5纯水2反应时间/sVy= 0.012X+1.0413、y = 0.0003x-0.130202040608040E) FO ISu 200反应时间/s反应时间/S52515051525 2 10 0 12 OJ 舊溶液2y = -0.0477X + 1.7805反应时间/s溶液3反应时间/s五计算的数据、结果利用冷却曲线计算溶液凝固点7O。、鰹rt61-5.J温度下降段+温度回升段5. 7-再降温段亠最终降温段5. 5线性（温度下降段）53_线性（再降温段）514. 91 1 1 1 1 1 1为得到准确的溶液凝固点，将溶液凝固后温度回升又卞降的部分做反向延长线，与开始的温度 卜降线相交，分别选取线性程度较好的有效数据区进行线性拟合，所得到两条直线的交点即为溶 液的凝固点7o结果如卞图3所示：0100200300400500600700时间/s图3步冷曲线有效数据区线性拟合结果。取开始温度卜降段和再降温段进行线性拟合，所得直线的交点即为所求溶液的凝固点。根据实验测量所得到的结果，分别计算拟合曲线的方程并联立得到溶液凝固点的温度值:组别温度下降段方程温度稳定段方程凝固点9平均值r纯水1Y=-0. 0128x+l. 8981Y=0. 0002x-0.1247-0. 09358-0. 09174纯水2Y=-0. 0536x+l. 1922Y=0. 0004x-0 0895-0. 08000纯水3Y=-0. 0120x+l. 0413Y=0. 0003x-0.1302-o. 10163待测溶液1Y=-0. 0419x+l. 8673Y=-0. 0003x-0.1848-0. 19960-0. 20164待测溶液2Y=-0. 0477x+l. 7805Y=-0. 0004x-0.1812-0. 19779待测溶液3Y=-0. 0431x+l. 5853Y=-0. 0004x-0.1909-0. 20754综上，用步冷曲线法得到纯水的凝固点为-0. 091740,待测溶液的凝恆点为-0. 20164根据凝固点变化计算未知物的摩尔质量利用前述凝固点测定结果，可根据公式（*）,即M = 叫计算未知物的摩尔质量。 口叫由已知k 乃二 T；- 7二 0.20164C - 0.09174C 二 0. 1099C 二 0. 1099KKf = 1.84 K-kg-mor1将以上数据代入前述计算公式，得未知物的摩尔质量为炉 1.84 x 1000 x 0. 1000 / （25. 0000x0. 1099） = 66. 97 g/mol 因此由实验测量计算得到的未知物的摩尔质量为66. 97g/molo六实验讨论分析 测定溶质凝固点的测量误差分析:测定溶质凝固点时，对于三组数据进行误差分析可得:5 平均误差：n ,可得5二1.7931X105标准误差：,可得o = 4. 2345X105因此测量结果精确度可用标准误差表示为：7/二020164000123 （C） 测定溶质（纯水）凝固点过程中产生误差的可能原因及分析：对溶质的凝固点测量中，产生误差的可能原因如下：首先，在测定过程中的每一次测定的条件可能不同，从而导致测定结果的误差较人。例如，测定时 虽然我们十分注意仪器的装配，但如果人试管的管壁不慎碰到了冷阱，很有可能导致所测定的温度 不准确。同时，搅拌器的不均匀或者中途发生变化町能导致溶质结晶过程中各部分的热传导率等物 理化学性质不均一，从而导致测量误差。 测定未知物摩尔质量过程中的产生误差的可能原因及分析：数据处理中的近似：在推导摩尔质量的计算公式过程中，进行了必要的数学近似，例如认为纯溶剂的摩 尔熔化焰是常数，T；xTf =（门尸等。在一般实验条件下，这些处理虽然不会对实验结果产生显著的影响， 但是在测量过程较为精确时，则可能导致测量结果出现微小的偏人。实验条件的改变：在测量溶剂和溶液的凝固点的时候，实验条件很可能出现改变，这其中包括坏境因素 和人为因素的影响。比如坏境温度的改变导致实验温度的改变，冷阱中循坏水的温度不稳定也町能导致实 验条件的变化。测量体系的改变：在实验数据的处理过程中认为测量体系的组成没有变化，但是在实际情况中，很可能 由于操作原因改变测量体系的组成。具体而言，在加入蔡的时候可能会导致溶质坏己烷有微量蒸发，或者 在称取秦的过程中出现的操作失误。这些改变可能使得体系中nu减小或者ms增人，从而使得实验结果偏人。测定仪器的误差：测量过程中，精密温度计的数值并不是很稳定，有时会出现波动现彖。此外，在记录 过程中，数据是人为判读和记录的，所以测定的温度值町能与实际有所差异。这样会导致根据测定数据所 作的步冷曲线与实际曲线有所不同，也可能导致最后测量结果的误差。 考虑称量、移液和温度测量三项误差来源的误差计算若Y为间接测量值，X为直接测量值，则两者之间关系可以表示为：Y = f（XO结果的相对不确定度公式5V称量过程的误差为00002g,数字精密温度记测量误差为0.001C,移液管误差为O.Olmb则有:Mb = Kf 1 吗 / ATfATf =T,-Tf : J = 2UTf 2 = V2 x O.OO1 :Mb0.0002 丫 +72x0.001!+ |I = 7o.OO142 +0.00122 +0.000402 = 0.002125.00 J从而，称量、移液和温度测量三项误差来源的误差分别为0. 0014, 0. 0012和0.00040。 由结果可知，误差的主要来源是称量和测温过程中所产生的误差。综合以上结果,得:軀=66. 97x （10 002） = （66. 970. 13）g/mol9 0.1462 丿1.219七结论本次实验通过凝固点降低法测定未知物的摩尔质量，测定结果汇总如下：纯水纯溶剂凝固点：T戶7. 09174Co未知物溶液凝固点：7 = -0.20164C.未知物的摩尔质量：軀二66. 97013g/mol八实验思考题 实验中所配溶液浓度，太浓或太桶都会使实验结果产生较大的误差，为什么？在本次实验中，溶液的浓度应使得测定过程中有部分溶质凝固析出，但还有一部分剩余溶液，且其浓 度应当保持在一定的值。因此，如果溶液太桶，可能在析出的时候会完全析出，从而使得测量的凝固点温 度不准确。另一方面，溶液浓度太小会使得凝固点的变化量太小，从而使实验中的误差对结呆的影响很人, 造成结呆不准确。而如呆溶液太浓，首先就会使得溶液的性质不符合稀溶液的依数性原理，使得计算公式 不适用于所测定的体系，造成较大的实验误差。 为什么会产生过冷现彖？在凝固过程中，新生的固相在生成时由于其颗粒直径很小，比表面能较高，所以体系很难自发地向能 量较高的方向进行。此时即便温度降低到相变点（凝固点）以下，相变过程也无法发生，从而导致体系的 温度低于凝固点，即过冷现象（此体系成为过冷液体）。在此状况下，若体系的能量升至很高或收到外界 干扰（比如投入人小适宜的晶核），液体即会迅速凝固为固体，发生相变过程。 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：在计算公式的推导过程从蚯孤=匸零齐dT出发，进行了一下几项近似处理：a）测定溶液符合桶溶液依数性，为理想桶薄溶液（溶质分子在溶液中的活度近似等于1）。b）纯溶剂的摩尔溶化焙不随温度T变化。c）T/ Tf = （T;）：d）析出的第一粒固体是纯固体实验中溶剂的浓度很小，所以析出的固体可近似认为是纯固体。溶液可以近似认为是理想桶薄溶 液。因为较小，其变化而导致摩尔熔化热的变化可以忽略，也因此可以近似认为TZ - T; = （Tf） 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。九参考文献1 张连庆等步冷曲线法一对凝固点降低测定摩尔质量的改进人学化学北京：人学化学编辑部,2006.第21卷第二期.54562 HWSalzberg, etal PhysicalchemistryMNew York:Macmillan PublishingCo.,1978:106108, 364-3653 武汉大学化学与分子科学学院 物理化学实验（第二版）M.武汉大学出版社20044 W J Popie1 Laboratory Manual of Physical Chemistry 、LLondon:English Universities Press LTD.,1964:71_73