电化学测量技术和光学仪器--课件

电化学测量技术和光学仪器电化学测量技术和光学仪器1ppt课件 一、概述一、概述在物理化学实验的过程中，我们通常会用到电学和光学的在物理化学实验的过程中，我们通常会用到电学和光学的仪器测定一些相应的物理量。其中，主要包括电导、电动仪器测定一些相应的物理量。其中，主要包括电导、电动势、旋光度和折光率等。以下，就其测定原理和仪器使用势、旋光度和折光率等。以下，就其测定原理和仪器使用等方面对其加以讨论。等方面对其加以讨论。二、电化学测量和仪器二、电化学测量和仪器1.电导的测量和仪器电导的测量和仪器电导是电解质溶液的性质，稀溶液的电导与离子浓度有简电导是电解质溶液的性质，稀溶液的电导与离子浓度有简单的线性关系。单的线性关系。(1)电导的定义电导的定义：为电阻的倒数：为电阻的倒数,电导的测量实际上就是测量电导的测量实际上就是测量电阻电阻.用符号：用符号：G 表示。表示。SI单位：单位：S 或或 -1 2ppt课件 平衡电桥法平衡电桥法由由惠惠斯斯通通电电桥桥法法，测测出出未未知知电电阻阻Rx,由由Rx的的倒倒数数获获得得电电导导Gx，再由，再由电导池常数电导池常数 Kcell 得出得出电导率电导率 。(2)电导率电导率 和摩尔电导率和摩尔电导率 m =G L/A (=R A/L)m=/c 的的SI 单位：单位：S m-1 m的的SI 单位：单位：S m2 mol-1 电导池常数电导池常数 Kcell=L/A (有时也用有时也用J 表示表示Kcell)(3)电导和电导率的测量电导和电导率的测量3ppt课件 DDS-11A型电导率仪法型电导率仪法为为了了降降低低极极化化作作用用造造成成的的系系统统误误差差，测测量量讯讯号号 E 采采用用了了交交流流电电，本本机机振振荡荡产产生生低低周周(约约140周周/秒秒)及及高高周周(约约1100周周/秒秒)两两个个频频率率，分分别别作作为为低低电电导导率率测测量量及及高高电电导导率率测测量量的的信号源频率，信号源频率，Rx 为液体电阻，为液体电阻，Rm 为分压器的分流电阻。为分压器的分流电阻。4ppt课件量程及使用量程及使用0-10 S/cm ,5档，低周，档，低周，DJS-1 型光亮电极型光亮电极0-3 102 S/cm ,3档，低周，档，低周，DJS-1 型铂黑电极型铂黑电极0-1 105 S/cm ,4档，高周，档，高周，DJS-10型铂黑电极型铂黑电极(4)指针式指针式 DDS-11A 型电导率仪型电导率仪1.K1 电源开关电源开关;2.K2 高低周开关高低周开关;3.K3 校正测量开关校正测量开关;4.K4 校正调节校正调节;5.K5 量程选择开关量程选择开关;6.K6 电容补偿电容补偿;7.K7 电极常数调节电极常数调节;8.XE 指示灯泡指示灯泡;9.C1 电极插口电极插口;10.C2 10 mV 输出插口输出插口5ppt课件(a)调调整整仪仪器器表表头头的的机机械械零零点点，选选好好量量程程和和电电极极。一一般般来来说说，测测量量电电导导率率低低于于 300 Scm-1 时时，将将测测量量频频率率开开关关置置于于“低低周周”，否则置于，否则置于“高周高周”。(b)将将电电极极常常数数调调节节旋旋钮钮 K7 调调到到与与配配套套电电极极的的常常数数相相对对应应的的位置上。注意读数倍率。位置上。注意读数倍率。(c)将将校校正正测测量量开开关关 K3 置置于于“校校正正”，接接通通电电源源，预预热热10分分钟后，调整校正调节器钟后，调整校正调节器 K4，使表针在满刻度。，使表针在满刻度。(d)将将电电极极浸浸入入待待测测溶溶液液中中，将将校校正正测测量量开开关关 K3 置置于于“测测量量”，将将量量程程开开关关 K5 由由大大到到小小逐逐渐渐调调节节，直直至至所所需需测测量量范范围。围。(e)指指针针指指示示数数乘乘以以量量程程开开关关倍倍率率即即为为被被测测溶溶液液的的实实际际电电导导率。为了提高精度，测定时，仍需对仪器不断校正。率。为了提高精度，测定时，仍需对仪器不断校正。6ppt课件(a)将电源插入接地可靠的插座。将电源插入接地可靠的插座。(b)将选择开关置于校正位置，将选择开关置于校正位置，开机预热开机预热 15-20 分钟。分钟。(c)电导率的测量：电导率的测量：(5)数字式数字式 DDS-11A 型电导率仪型电导率仪仪器在全量程范围内测量，只须在第仪器在全量程范围内测量，只须在第 4 量程档或任用量量程档或任用量 程校正一次电极常数，即能换档补偿，进行有效读数。程校正一次电极常数，即能换档补偿，进行有效读数。温度补偿置温度补偿置 25。选择开关置于校正位置，调节常数调。选择开关置于校正位置，调节常数调 节器，使仪器显示所用电极的电极常数值。节器，使仪器显示所用电极的电极常数值。7ppt课件将将电电极极插插头头插插入入插插口口，再再将将电电极极浸浸入入待待测测溶溶液液中中。旋旋温度补偿器示值与待测液相同。温度补偿器示值与待测液相同。将将选选择择开开关关置置于于电电导导率率位位置置，再再选选择择合合适适的的量量程程，（量量程程开开关关应应由由第第 5 量量程程档档起起逐逐步步转转向向 4、3、2、1 量量程程档档）使使仪仪器器尽尽可可能能显显示示多多位位有有效效数数字字。此此时时仪仪器器显显示示即即为为溶溶液液的的电电导导率率。如如使使用用第第 5 量量程程档档仍仍显显示示1（即即超超量量程程），应应换换用用常常数数为为 10 的的电电导导电电极极。使使用用时时常常数数校校正正及及显显示示的数值要乘以的数值要乘以 10。注意事项注意事项(a)电极的引线、插头应保持干燥，以减少接触电阻。电极的引线、插头应保持干燥，以减少接触电阻。(b)纯水应在流动中测量，并且使用洁净容器。纯水应在流动中测量，并且使用洁净容器。(c)仪器所测得数为当时液温下的电导率或电阻率。仪器所测得数为当时液温下的电导率或电阻率。(d)重新校正仪器不必将电极插头拔出重新校正仪器不必将电极插头拔出8ppt课件例例：25时时，浓浓度度为为 0.02 N KCl置置于于电电导导池池中中测测得得它它的的电电导导率率为为 2914 uS。由由表表查查的的 25 时时 0.02 N KCl溶溶液液的的电电导导率率为为 0.002768 S cm-1，于于是是这这个个电电极极的的常常数数即即为为 J=/G=0.002768/（291410-6）=0.95 cm-1。(6)电极常数电极常数J的测定的测定(a)电极常数的测定是利用一个已知电导率的溶液，测电极常数的测定是利用一个已知电导率的溶液，测得它的电导，然后根据得它的电导，然后根据 J=/G 来计算出来计算出J值。值。(b)用用已已知知和和未未知知电电极极分分别别测测得得同同一一电电介介质质溶溶液液的的电电导导 G1 和和 G2（注注意意测测电电导导 G1 和和 G2 时时电电导导率率仪仪的的常常数数应应校校正正至至 1.000）。由由于于同同一一溶溶液液的的电电导导率率 不不变变，因因此此下下列列等等式式成立：成立：Jx G1=J2G2 即：即：Jx=J2G2/G19ppt课件2.原电池电动势的测量和仪器原电池电动势的测量和仪器外外电电流流为为零零是是的的两两电电极极间间的的电电势势差差为为电电动动势势。有有外外电电流流时，两电极间的电势差为电池电压。时，两电极间的电势差为电池电压。U=E-I R因因此此，电电动动势势的的测测定定不不能能直直接接用用外外用用表表，而而要要用用基基于于对对消消法的仪器电位差计。法的仪器电位差计。(1)对消法原理对消法原理Ex=Es RAC /RAC10ppt课件(2)UJ-25型的电位差计型的电位差计(高阻型高阻型)特点为工作电流特点为工作电流小，线路电阻大。小，线路电阻大。因此，要配以高因此，要配以高灵敏度的检流计。灵敏度的检流计。电池电动势的测定是电化学研究中最基本的方法。电池电动势的测定是电化学研究中最基本的方法。UJ-25型的型的电位差计电位差计 适于测量内阻较大的电源电动势，及较大电阻的电适于测量内阻较大的电源电动势，及较大电阻的电压降。压降。11ppt课件UJ-25型的电位差计型的电位差计(高阻型高阻型)面板图面板图12ppt课件(a)将将转转换换开开关关 K 放放在在“断断”位位置置上上，将将工工作作电电池池，被被测测电电池池及及标标准准电电池池按按正正、负负极极性性接接在在相相应应的的旋旋钮钮上上，连连接接好好检检流流计。计。UJ-25 型直流电位差计的使用方法型直流电位差计的使用方法(b)由由标标准准电电池池温温度度系系数数公公式式计计算算给给定定条条件件下下的的标标准准电电池池电电动动势，调整标准补偿十进盘上的两个旋钮使其对应。势，调整标准补偿十进盘上的两个旋钮使其对应。(c)将将转转换换开开关关放放在在“标标准准”位位置置，按按“粗粗”键键，调调节节工工作作电电流流旋旋钮钮，使使检检流流计计光光标标指指示示为为零零。然然后后再再按按“细细”键键，调调节节工工作作电电流流旋旋钮钮，使使检检流流计计光光标标指指示示为为零零。如如调调节节过过程程中中，检检流流计计光光标标偏偏转转太太大大，应应迅迅速速按按下下“短短路路”键键，使使其其迅迅速速停停止止摆动。摆动。13ppt课件(e)在在测测量量时时，按按键键时时间间要要短短(1 秒秒)，以以防防止止过过多多电电量量通通过过标标准准电电池池或或被被测测量量电电池池，造造成成严严重重的的极极化化，破破坏坏电电池池的的电电化学可逆性。化学可逆性。(d)将将转转换换开开关关放放在在“未未知知”的的位位置置上上，先先按按“粗粗”键键，调调节节测测量量盘盘，使使检检流流计计光光标标指指示示为为零零。在在按按“细细”键键，调调节节测测量量盘盘，直直到到检检流流计计指指示示为为零零。此此时时 6 个个测测量量盘盘下下方方的的小小窗窗孔孔内所示数字的总和即为电动势的测定值。内所示数字的总和即为电动势的测定值。(3)标准电池标准电池在在实实际际工工作作中中，标标准准电电池池被被作作为为电电压压测测量量的的标标准准量量具具或或工工作量具，在直流电位差计电路中提供一个标准的参考电压。作量具，在直流电位差计电路中提供一个标准的参考电压。14ppt课件标标准准电电池池的的电电动动势势具具有有很很好好的的重重现现性性和和稳稳定定性性。一一般般能能重重现现到到 0.1 毫毫伏伏。当当电电位位差差计计电电路路内内有有微微小小不不平平衡衡电电流流通通过过该该电电池池时时，由由于于电电极极的的可可逆逆性性好好，电电极极电电位位不不发发生生变变化化，电电池池电电动动势势仍仍能能保保持持恒恒定定;在在恒恒温温条条件件下下在在较较长长时时期期内内保保持持电电动动势势基本不变。基本不变。标标准准电电池池可可分分为为饱饱和和式式、不不饱饱和和式式,前前者者可可逆逆性性好好，但但温温度度系系数数较较大大，须须进进行行温温度度校校正正用用于于精精密密测测量量;后后者者的的温温度度系系数数很很小小，但但可可逆逆性性差差，用用在在精精度度要要求求不不高的测量。高的测量。15ppt课件结构和主要技术参数结构和主要技术参数用电化学式来表示为：用电化学式来表示为：Cd-Hg(12.5%)|CdSO4H2O 饱和溶液饱和溶液|Hg2SO4(s)|Hg其电池反应为：其电池反应为：负极负极 Cd(Cd-Hg齐齐)Cd2+2e 正极正极 Hg2SO4+2e 2Hg+SO42-总反应总反应 Cd(Cd-Hg齐齐)+Hg2SO4=CdSO4+2Hg物化实验的电学测量中物化实验的电学测量中,一般采用一般采用 BC3 或或 BC8 等型号的饱和等型号的饱和标准电池标准电池,温度校正为：温度校正为：Et/v=-39.94(t-20)-0.929(t-20)2+0.0090(t-20)3-0.00006(t-20)4 或：或：Et/v=-40(t-20)16ppt课件使用注意使用注意(a)使用温度使用温度 4-40oC (b)极性正确极性正确 (c)平稳移动平稳移动(d)不直接测量其电压不直接测量其电压 (e)不能作电源不能作电源 (f)定时校正定时校正(4)检流计检流计检检流流计计主主要要用用在在平平衡衡式式直直流流电电测测量量仪仪器器（如如电电位位差差计计、电电桥桥）中中作作为为示示零零仪仪器器，以以及及在在光光-电电测测量量、差差热热分分析析等等实实验验中中测测量量微微弱弱的的直直流流电电流。流。17ppt课件(5)稳压电源稳压电源 (恒电位仪恒电位仪)在在电电动动势势测测定定，电电泳泳，极极化化曲曲线线测测定定等等实实验验中中，需需使使用用稳稳压压电电源源。右右图图即即为为极极化化曲曲线线测测定定实实验验中中使使用用的的双双恒恒电电位仪。位仪。给给系系统统提提供供稳稳定定的的电电压压，由由变变压压器器、整整流流滤滤波波、比比较较放放大、基准电源、调整元件和取样电阻等组成。大、基准电源、调整元件和取样电阻等组成。18ppt课件(6)万用表万用表 指针式万用表指针式万用表 数字式万用表数字式万用表19ppt课件(7)电极电极 工作电极工作电极(研究电极研究电极)、参比电极、参比电极 和和 辅助电极辅助电极 例：工作电极：镍电极。参比电极：饱和甘汞电极。辅助例：工作电极：镍电极。参比电极：饱和甘汞电极。辅助电极：铂电极。电极：铂电极。20ppt课件(8)色环电阻色环电阻色色环环电电阻阻，是是用用个个色色环环来来表表示示阻阻值值，前前二二环环代代表表有有效效值，第三环代表乘上的次方数，用个色环表示误差。值，第三环代表乘上的次方数，用个色环表示误差。色色环环电电阻阻一一般般是是金金属属膜膜电电阻阻，为为更更好好地地表表示示精精度度，用用个色环表示阻值，另一个色环表示误差。个色环表示阻值，另一个色环表示误差。21ppt课件三、光学测量仪器三、光学测量仪器物理化学的研究体系的光学性质与浓度等常用化学量之间，物理化学的研究体系的光学性质与浓度等常用化学量之间，常有线性关系。因此由光学性质的变化，即可得知体系化常有线性关系。因此由光学性质的变化，即可得知体系化学性质的变化。学性质的变化。1.折光率折光率(折射率折射率)的测定及仪器的测定及仪器当光线从第一介质进入第二介质时，由于其在两介质中当光线从第一介质进入第二介质时，由于其在两介质中的传播速度不同，遂使传播的方向发生改变，形成折射的传播速度不同，遂使传播的方向发生改变，形成折射现象。对于两特定的介质在一定的条件下，入射角和折现象。对于两特定的介质在一定的条件下，入射角和折射角的正弦比恒为常数。如果第一介质为真空，则常数射角的正弦比恒为常数。如果第一介质为真空，则常数就只于第二种介质的物性有关，这常数就称为第二种介就只于第二种介质的物性有关，这常数就称为第二种介质的折光率。质的折光率。22ppt课件阿贝折光仪结构示意图阿贝折光仪结构示意图1 测测量量望望眼眼镜镜 2 消消色色散散手手柄柄 3 恒恒温温水水入入口口 4 温温度度计计 5 测测量量棱棱镜镜 6 铰铰链链 7 辅辅助助棱棱镜镜 8 加加液液槽槽 9 反反射射镜镜 10 镜镜筒筒 11 轴轴轮轮 12 标尺合标尺合 13 锁钮锁钮 14 底座底座23ppt课件(1)原理原理阿阿贝贝折折光光仪仪是是根根据据临临界界折折射射现现象象设设计计的的。若若折折射射率率大大于于 1，则则入入射射角角必必大大于于折折射射角角。当当入入射射 角角增增加加到到极极大大值值/2 时时所所对对应应的的折折射射角角 rc称称为为临临界界折折射射角角。rc 大大于于临临界界角角的的构构成成暗暗区区，小于临界角的构成亮区小于临界角的构成亮区如如果果已已知知棱棱镜镜P的的折折射射率率，并并在在温温度度、单单色色光光波波长长都都保保持持恒恒定定值值的的实实验验条条件件下下，测测定定临临界界角角 rc 就就能能算算出出被被测测试试样样的的折折射率。射率。(一般为一般为20 oC,D 钠光源。钠光源。)24ppt课件(2)使用使用 将将阿阿贝贝折折光光仪仪放放置置于于靠靠窗窗的的桌桌上上或或普普通通的的白白炽炽灯灯前前在在棱棱镜外套上装好温度计，用橡皮管将保温套与恒温槽串连起来。镜外套上装好温度计，用橡皮管将保温套与恒温槽串连起来。当当温温度度恒恒定定时时打打开开棱棱镜镜，滴滴一一、两两滴滴丙丙酮酮在在镜镜面面上上，合合上上棱棱镜镜，使使镜镜面面全全部部被被丙丙酮酮润润湿湿再再打打开开，用用镜镜头头纸纸吸吸干干。用用重重蒸蒸馏馏水水或或已已知知折折光光率率的的标标准准溶溶液液(如如丙丙酮酮=1.3591)来来校校正正刻刻度度.测测定定时时，拉拉开开棱棱镜镜把把欲欲测测液液体体滴滴在在洗洗净净擦擦干干了了的的下下面面棱棱镜镜上上,待待整整个个面面上上沾沾润润后后，合合上上棱棱镜镜进进行行观观测测，每每次次测测定定时时两两个个棱棱镜镜都都要要啮啮紧紧，防防止止两两 棱棱镜镜所所夹夹液液层层成成劈劈状状影影响响数数据据重重复复性。性。25ppt课件(3)注意注意 不能将滴管或其它硬物碰到镜面不能将滴管或其它硬物碰到镜面 腐蚀性液体如强酸、强碱或氟化物不得使用折光仪。腐蚀性液体如强酸、强碱或氟化物不得使用折光仪。在每次滴加样品时，均应洗净镜面，使用完毕后应用在每次滴加样品时，均应洗净镜面，使用完毕后应用 丙酮或乙醚洗净镜面，并干燥之。丙酮或乙醚洗净镜面，并干燥之。擦洗时不可用力，防止毛玻璃面磨光。擦洗时不可用力，防止毛玻璃面磨光。26ppt课件2.旋光度的测定和仪器旋光度的测定和仪器(1)原理原理当当一一束束平平面面偏偏振振光光通通过过某某一一物物质质时时，若若光光的的偏偏振振面面被被转转过过一一个个角角度度，具具有有这这种种性性质质的的物物质质称称为为旋旋光光性性物物质质，这这种种性性质质称称为为该该物物质质的的旋旋光光性性。旋旋光光性性起起因因于于物物质质宏宏观观的的各各向向异异性性和和分分子子本本身身的的不不对对称称性性，因因此此旋旋光光方方向向和和旋旋光光度度的的大大小小与与分分子子的的立立体体结结构构有有关关，在在溶溶液液状状态态下下旋旋光光度度还还与与其其浓浓度度有有关关。借借助助于于旋旋光光度度的的测测量量可可以以对对物物质质进进行行定定性性、定定量量分分析析和和结结构构分分析析。旋旋光光仪仪是是用用于于测测定定物物质质旋旋光光性性的的仪仪器器，它它的主要元件是用尼科尔棱镜制成的起偏器和检偏振器。的主要元件是用尼科尔棱镜制成的起偏器和检偏振器。27ppt课件(2)仪器和构造仪器和构造圆盘式的旋光仪圆盘式的旋光仪数字式的旋光仪数字式的旋光仪28ppt课件 旋光仪构造旋光仪构造1.目镜目镜;2.检偏棱镜检偏棱镜;3.圆形标尺圆形标尺;4.样品管样品管;5.窗口窗口;6.半暗角器件半暗角器件;7.起偏棱镜起偏棱镜;8.半暗角调节半暗角调节;9.灯。灯。29ppt课件 旋光管构造和三分视野旋光管构造和三分视野视视野野呈呈微微暗暗状状态态，且且三三分分视视野野内内的的暗暗度度是是相相同同的的,将将这这一一位位置置作作为为仪仪器器的的零零点点，在在每每次次测测定定时时，调调节节检检偏偏镜镜使使三三分分视视界的暗度相同，然后读数。界的暗度相同，然后读数。30ppt课件(3)使用及注意使用及注意 将将仪仪器器接接于于 220 V 交交流流电电源源上上，开开启启、预预热热5 分分钟钟。使使用时，切勿将灯泡直接插到电源上，一定要经过镇流器。用时，切勿将灯泡直接插到电源上，一定要经过镇流器。零零点点校校正正：在在样样品品管管中中充充满满蒸蒸馏馏水水，盖盖上上玻玻片片，旋旋上上螺螺帽帽，放放在在旋旋光光仪仪暗暗盒盒内内，样样品品管管光光路路中中不不应应有有气气泡泡。转转动动刻刻度度盘盘，使使视视场场三三分分视视野野暗暗度度相相等等，读读取取旋旋光光度度，此此值值即即为为仪仪器零点。器零点。测测量量。在在样样品品管管中中注注满满待待测测溶溶液液，同同上上法法，测测定定其其旋旋光光度度。在在将将溶溶液液注注入入旋旋光光管管时时，有有时时气气泡泡很很难难赶赶净净，此此时时可将气泡赶到旋光管凸部。可将气泡赶到旋光管凸部。旋光度与温度、样品管长度等因素有关，测量时必须考虑。旋光度与温度、样品管长度等因素有关，测量时必须考虑。旋光仪和所有光学仪器一样，要注意保洁。旋光仪和所有光学仪器一样，要注意保洁。31ppt课件