物化实验讲座ppt课件

物理化学实验,讲 座,1,物理化学实验(上)安排 实验一：恒温水浴的组装及其性能测试 实验二：凝固点降低法测相对分子质量 实验三：二组分固液相图的绘制 实验四：电导法测定表面活性剂临界胶束浓度 实验五：旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 实验六：双液系气液平衡相图 实验七：最大泡压法测定溶液的表面张力,2,实验时间： 应化10：星期一 14：00 化学10：星期三 14：00 材化10：星期五 14：00 实验地点：理化实验楼210、211,3,物理化学实验基本要求,“物理化学实验”课程是化学系本科各专业重要的基础实验课，目的在于培养学生掌握物理化学实验的基本知识和方法，培养和提高学生的操作技能、思维能力、分析和解决问题的能力，通过实验教学，使学生加深对物理化学基本原理的理解，提高运用物理化学理论知识的能力。,4,一、实验预习（10 %） 实验前预习是顺利完成实验的基本保证，通过预习，要求对实验基本原理、实验方法、仪器使用、数据处理等方面的内容做到心中有数，避免盲目地边看讲义边操作。 具体的预习内容如下： 要求了解实验目的、实验方法、所用仪器设备等，掌握实验基本原理、实验操作要领以及实验数据处理方法等。避免实验时的盲目性。,5,要求在预习本中预先画出规范的数据记录格式，包括实验项目，测试内容、测量次数等。 要求对预习时所遇到的难点、疑点和设想等提出讨论，培养学习的主动性和积极性。 实验预习须在实验前按实验安排进行，没有预习者需当场预习、通过提问后才能参加实验。 预习内容记录在专门的预习本上，并保留至本实验课程结束。,6,二、综合表现（10 %） 按时上课，迟到扣分，迟到三十分钟以上、早退和无故缺旷无成绩，不得补做实验。 事假须有班主任以上老师签字假条，病假须有医院证明，补做实验后计算成绩。 实验时不高声喧哗、不随意走动、不吸烟、不打电话、不随意离开实验室，无故离开20分钟以上者，本次实验无成绩，不得补做实验。 保持实验室和实验台清洁卫生。实验结束后，值日同学需按要求打扫实验室，检查并关好门窗水电。,7,三、实验操作（40 %） 实验操作必须认真、规范。损坏仪器除扣分外，还需相应的赔偿。 原始数据必须真实，记录规范、清晰、整洁。指导教师签字后，不得做任何涂改，凡弄虚作假者，本次实验无成绩，不得补做实验。数据记录一式两份，一份记录在记录本上，一份贴在实验报告上。 实验失败，重做、补做实验扣20分。 实验结束后应填写仪器使用记录，将实验台恢复原样，指导教师检查后方可离开实验室。实验台不符合要求将扣分。,8,四、实验报告（40 %） 书写必须规范、整洁。 报告内容应包括实验目的、实验原理、主要仪器及试剂、实验步骤及操作要领、实验数据记录及数据处理、结果讨论、实验总结及思考题。 按要求进行数据处理，做图部分应使用直尺、铅笔、坐标纸等作图工具，凡作图不正规，不记实验报告成绩。 未做数据处理不计实验报告成绩。 实验报告须在实验后一周内交指导教师，不按时交无实验报告成绩。 实验报告雷同者，每人扣20分。,9,恒温水浴的组装及其性能测试,一、目的要求 了解恒温水浴的组装及恒温原理。 了解控温仪、温差仪的使用方法。 绘制恒温槽的温度-时间曲线，计算灵敏度，学会分析恒温槽的性能。 二、基本原理 一般物理化学量的测量多在恒温条件下进行，因此，在测量过程中保持温度恒定有重要意义。,10,根据恒定温度的不同，恒温槽中可以选择不同的工作物质。一般在0以上，100以下都采用水。超过100的恒温槽常采用液体石蜡、甘油或豆油代替水作为工作物质，0以下的可采用盐水做工作物质。 恒温槽一般由浴槽、温度控制器、继电器、加热器、搅拌器和温度计等组成。本实验用电子控温仪代替温度控制器和继电器。,11,由于散热和控温延迟、加热不均匀、搅拌不均匀等原因，水浴温度不可能严格固定在所选定的温度上，必然会有微小的波动。评价恒温槽性能的好坏一般用灵敏度表示。灵敏度好的恒温槽，要求温度变化幅度小，变化时间短。恒温槽恒温的好坏，灵敏度的高低可以通过灵敏度来确定。 灵敏度tF的计算用曲线的波峰与波谷的平均值按下式计算： tF = (波峰平均值波谷平均值)/2 根据不同的实验温度-时间曲线图，可计算出恒温水浴的灵敏度，并对其性能进行评价。,12,凝固点降低法测相对分子质量,实验目的： 1 、掌握溶液凝固点的测定技术。 2 、掌握温差测量仪的使用方法。 3 、用凝固点降低法测定萘的相对分子 质量。,13,二、实验原理,含非挥发性溶质的二组分稀溶液(当溶 剂与溶质不生成固溶体时)的凝固点将低于 纯溶剂的凝固点。这是稀溶液的依数性质之 一，当指定了溶剂的种类和数量后，凝固点 降低值取决于所含溶质分子的数目，即溶剂 的凝固点降低值与溶液的浓度成正比。,14,因为,所以(1)式可改为,15,需要注意，如溶质在溶液中发生解离或缔合等情况，则不能简单地应用公式(2)加以计算。浓度稍高时，已不是稀溶液，致使测得的相对分子质量随浓度的不同而变化。为了获得比较准确的分子量数据，常用外推法，即以(2)式中所求得的相对分子质量为纵坐标，以溶液浓度为横坐标作图，外推至浓度为零而求得较准确的相对分子质量数值。,16,本实验的关键是凝固点的精确测量。所谓凝固点是指在一定压力下，固液两相平衡共存的温度。理论上，在恒压下对单组分体系只要两相平衡共存就可达到这个温度。但实际上，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，平衡才能达到。例如将冷冻管放到冰浴后温度不断下降，达到凝固点后，由于固相是逐渐析出的，当凝固热放出速度小于冷却速度时，温度还可能不断下降，因而使凝固点的确定较为困难。为此，可先使液体过冷，然后突然搅拌。这样，固相骤然析出就形成了大量微小结晶，保证了两相的充分接触。,17,同时，液体的温度也因凝固热的放出开始回升，一直达到凝固点，保持一会恒定温度，然后又开始下降（图中a），从而使凝固点的测定变得容易进行了。纯溶剂的凝固点相当于冷却曲线中的水平部分所指的温度。,18,溶液的冷却曲线与纯溶剂的冷却曲线不同(图中b)，即当析出固相，温度回升到平衡温度后，不能保持一恒定值。因为部分溶剂凝固后，剩余溶液的浓度逐渐增大，平衡温度也要逐渐下降。如果溶液的过冷程度不大，可以将温度回升的最高值作为溶液的凝固点。若过冷太大，凝固的溶剂过多，溶液的浓度变化过大，所得凝固点偏低，必将影响测定结果(图中c)。因此实验操作中必须注意掌握体系的过冷程度。,19,实验步骤,安装凝固点测定仪，调节冰浴槽,溶液凝固点的测定(步冷曲线法),调节数字贝克曼温度计(温差仪),环己烷的凝固点的测定(步冷曲线法),20,数据记录：,21,文献值：,萘的相对分子质量：128.17,22,实验结果与讨论,、结果：实测值为M=？ 、计算实验偏差： 、分析产生偏差的原因： 、有何建议与想法？,23,注意事项：,1.搅拌时勿使搅拌器与温度计或管壁相触； 2.过冷程度不能太大； 3.加样时防止样品粘着于管壁、温度计或搅拌器上； 4.温度控制在要求范围内。,24,二组分固液相图的绘制,一、目的要求 了解二组分固液相图的基本特点，了解热分析法测量技术； 用热分析法测绘Pb-Sn二元合金相图。 二、基本原理 热分析法是绘制相图常用的基本方法之一。这种方法是通过观察体系在冷却（或加热）时温度随时间的变化关系来判断有无相变的发生。,25,步冷曲线,26,通常的做法是先将体系 全部熔化，然后让其自行冷 却并每隔一定的时间记录一 次温度，然后以温度(T)为纵坐标、时间(t)为横坐标 作图，得步冷曲线。上图是二组分金属体系的一种 常见类型的步冷曲线。当体系均匀冷却时，如果体 系不发生相变，则温度随时间的变化将是均匀的， 冷却也较快(如图中的ab段)。,27,若在冷却过程中发生了 相变，由于在相变过程中伴 随着热效应，所以体系温度 -时间曲线将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷 曲线出现转折(图中b点)，当溶液继续冷却到某一点 (图中c点)时，由于此时溶液的组成已达到最低共熔混 合物的组成，故有最低共熔混合物析出。在最低共熔 混合物完全凝固前，体系温度保持不变，因此步冷曲 线出现平台(图中cd段)，当溶液完全凝固后，温度迅 速下降(图中de段)。,28,对组成一定的二组分低共熔混合物体系来 说，可以根据其步冷曲线，判断有固体析出时 的温度和最低共熔点的温度。作一系列组成不 同的体系的步冷曲线，找出各转折点，即可画 出二组分体系最简单的相图(温度-组成图)。,29,不同组成溶液的步冷曲线与对应相图的关系可从下图看出。,30,电导法测定水溶性表面活性剂 的临界胶束浓度,一、实验目的 1. 了解表面活性剂的特性及胶束形成原理。 2. 掌握DDS-11A型电导仪的使用方法。 3. 用电导法测定十二烷基硫酸钠的临界胶束浓度。,31,二、实验原理,具有“两亲”性质的分子，即含有亲油的足够长的(大于1012个碳原子)烃基，又含有亲水的极性基团。由这一类分子组成的物质称为表面活性剂，表面活性剂分子都是由极性部分和非极性部分组成的。,表面活性剂进入水中，在低浓度时呈分子状态，并且三三两两地把亲油基团靠拢而分散在水中。当溶液浓度加大到一定程度时，许多表面活性物质的分子立刻结合成很大的集团，形成“胶束”。,32,以胶束形式存在于水中的表面活性物质是比较稳定的。表面活性物质在水中形成胶束所需的最低浓度称为临界胶束浓度，以CMC表示。,本实验利用DDS-11A型电导仪测定不同浓度的十二烷基硫酸钠水溶液的电导值(也可换算成摩尔电导率)，并作电导值(或摩尔电导率)与浓度的关系图，从图中的转折点求得临界胶束浓度。,33,试验数据记录表,34,旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数,一、目的要求: 1、测定蔗糖转化反应的速率常数和半衰期； 2、了解反应物浓度与旋光度之间的关系； 3、了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正 确使用方法。,35,蔗糖水解反应生成葡萄糖和果糖： C12H22O11+ H2O = C6H12O6(葡萄糖)+ C6H12O6 (果糖) 为使水解反应加速，常以酸为催化剂，故反应在酸性介质中进行。,二、基本原理,36,此反应的反应速率与蔗糖的浓度、水的浓度以及催化剂H+的浓度有关。但反应过程中，由于水是大量的，可认为水的浓度基本是恒定的，且H+是催化剂，其浓度也保持不变，故反应速率只与蔗糖的浓度有关，所以蔗糖水解反应可看作是一级反应。,C12H22O11+ H2O = C6H12O6(葡萄糖)+ C6H12O6 (果糖),37,反应速率只与某反应物浓度c的一次方成正比的反应称为一级反应。其速率方程的通式为 式中c0为反应物的初始浓度，c为t时刻反应物的浓度，k1为反应的速率常数。,38,一级反应的半衰期与起始浓度无关。这是一级反应的一个特点。,39,蔗糖及水解产物均为旋光性物质，但它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程，测量旋光度所用的仪器称为旋光仪。,C12H22O11+ H2O = C6H12O6(葡萄糖)+ C6H12O6 (果糖),40,溶液旋光度与溶液中所含旋光物质的种类、浓度、溶剂性质、液层厚度、光源的波长及温度等均有关系。在其它条件均固定时，旋光度与反应物浓度有直线关系,41,若用 作图应为一直线， 由直线斜率可求速率常数k1 。,将,代入,42,双液系的气液平衡相图,一.目的要求 1、绘制在p下环己烷-乙醇双液系的气-液平衡相图，了解相图和相律的基本概念。 2、掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法 3、掌握用折光率确定二元液体组成的方法,43,二. 基本原理,1、气-液相图,两种体混合而成的二组分体系称为双液系。根据两组分间溶解度的不同，可分为完全互溶、部分互溶和完全不互溶三种情况。两个组分若能按任意比例互相融解，称为完全互溶双液系。液体的沸点是指液体的蒸汽压与外界压力相等时的温度。在一定的外压下，纯液体的沸点有其确定值。但双液系的沸点不仅与外压有关，而且还与两种液体的相对含量有关。,44,完全互溶双液系的沸点组成图,1.混合物的沸点介于两种纯组分之间(a)； 2.混合物存在着最高沸点(b)； 3.混合物存在着最低沸点(c).,45,为了测定双液系的T- x图,需在气液平衡后,同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。实验中气液平衡组分的分离是通过沸点仪实现的,而各相组成的准确测定可通过阿贝折光仪测量折射率进行。,46,本实验测定的环己烷-乙醇双液系相图属于具有最低恒沸点的体系。方法是利用沸点仪在大气压下直接测定一系列不同组成混合物的气液平衡温度(沸点),并收集气相和液相冷凝液,分别用阿贝折光率仪测定其折射率,根据折射率与标样浓度之间的关系,查得所对应的气相、液相组成。,47,图8.2 沸点仪结构图,48,组成分析,本实验选用的环己烷和乙醇，两者折光率相差颇大, 折光率测定只需要少量样品，所以可用折光率-组成工作曲线来测得平衡体系中两相的组成。,49,1、测定折光率时，动作应迅速，以避免样品中易挥发组元损失，确保数据准确； 2、电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热，否则电热丝易烧断或燃烧着火； 3、注意一定要先加溶液，再加热；取样时，应注意切断加热丝电源； 4、每种浓度样品其沸腾状态应尽量一致。即气泡使连续均匀地冒出为好，不要过于激烈也不要过慢。 5、先开冷却水再加热，系统真正达到平衡后，停止加热，冷却后方可取样分析。,注意事项,50,最大泡压法测定溶液的表面张力,一、目的要求 了解表面张力的性质，表面自由能的意义以及表面张力和吸附的关系； 掌握用最大泡压法测定表面张力的原理和技术； 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量和乙醇分子的横截面积。,51,二、实验原理,体相分子：,液体有自动收缩表面而呈球形的趋势。,自由移动不消耗功,表面分子：,纯液体和其蒸气组成的体系,-表面自由能（表面张力）,（1）溶液的界面吸附,52,溶液活度,表面吸附:表面层与体相浓度不相同的现象。,恒温下的Gibbs吸附方程：,mol m2,53,0，负吸附, 溶液表面张力升高: 非表面活性物质, 0，正吸附,溶液表面张力降低：表面活性物质,浓度达一定值，溶液界面形成饱和单分子层吸附,54,将待测液体装于表面张力仪，使毛细管的端面与液面相切。打开滴液漏斗的活塞，使水缓慢滴下而降低系统的压力，毛细管内的液面上受到一个比样品管内的液面上稍大的压力。 当压力差在毛细管端面上产生的作用稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口被压出，这个最大的压力差可由U型管压力计上读出。,（2）最大气泡压力法测定表面张力的原理,（2）最大气泡压力法,55,A 表面张力测定仪； B 减压瓶； C 微压差测量仪； E毛细管； F、D 活塞,56,U形示压计两端汞柱的高度差,毛细管端口形成的半球形气泡承受的最大压力差,若用同一支毛细管和压力计，在相同温度下测定两种液体的表面张力，有,毛细管曲率半径,毛细管常数,57,饱和吸附量,（3）求乙醇的分子截面积,求乙醇分子截面积,58,59,