物化實驗報告-凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量

1、物理化學(xué)實驗報告武漢大學(xué)凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量一、實驗?zāi)康? 用凝固點降低法測定某未知物的摩爾質(zhì)量2 學(xué)會用步冷曲線對溶液凝固點進(jìn)行校正3 通過本實驗了解掌握凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量的原理，加深對稀溶液依數(shù)性的理解。二、實驗原理稀溶液具有依數(shù)性，凝固點降低是依數(shù)性的一種表現(xiàn)，它與溶液質(zhì)量摩爾濃度的關(guān)系為：其中，為凝固點降低值，、分別為純?nèi)軇?、溶液的凝固點，為溶液質(zhì)量摩爾濃度，為凝固點降低常數(shù)，它只與所用溶劑的特性有關(guān)。如果稀溶液是由質(zhì)量為的溶質(zhì)溶于質(zhì)量為的溶劑中而構(gòu)成，則上式可寫為：即 （*）式中： 溶劑的凝固點降低常數(shù)（單位為K·kg·mol-1） 溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量（單位

2、為g/mol）。如果已知溶液的值，則可通過實驗測出溶液的凝固點降低值 ，利用上式即可求出溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。實驗中，要測量溶劑和溶液的凝固點之差。對于純?nèi)軇┤鐖D1（a）所示，將溶劑逐漸降低至過冷（由于新相形成需要一定的能量，故結(jié)晶并不析出），溫度降低至一定值時出現(xiàn)結(jié)晶，當(dāng)晶體生成時，放出的熱量使體系溫度回升，而后溫度保持相對恒定。對于純?nèi)軇﹣碚f，在一定壓力下，凝固點是固定不變的，直到全部液體凝固成固體后才會下降。相對恒定的溫度即為凝固點。對于溶液來說，除溫度外還有溶液濃度的影響。當(dāng)溶液溫度回升后，由于不斷析出溶劑晶體，所以溶液的濃度逐漸增大，凝固點會逐漸降低。因此，凝固點不是一個恒定的值。如把回升

3、的最高點溫度作為凝固點，這時由于已有溶劑晶體析出，所以溶液濃度已不是起始濃度，而大于起始濃度，這時的凝固點不是原濃度溶液的凝固點。要精確測量，應(yīng)測出步冷曲線，按下一頁圖1（b）所示方法，外推至校正。圖1 溶劑和溶液的步冷曲線三、實驗裝置，儀器及操作3.1 實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1.儀器 精密數(shù)字溫度計 玻璃攪拌棒 恒溫浴槽 冷阱 大試管 移液管（25ml）分析天平 計算機(jī)2.藥品 待測藥品 蒸餾水3.測試裝置示意圖（見下圖）圖2 凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量實驗裝置示意圖3.2實驗條件表2 實驗條件實驗溫度（）大氣壓（kPa）20.0101.253.3 實驗操作步驟及方法要點1按裝置圖

4、將凝固點儀裝置安裝好。2. 分層加入足量的冰塊和食鹽組成冰鹽浴。3. 打開精密數(shù)字溫度計開關(guān)。打開計算機(jī)，打開計算機(jī)，打開其中“凝固點”軟件窗口。點擊“開始繪圖”，計算機(jī)即開始讀取溫度計讀數(shù)，并且給每次讀數(shù)編號。同時在左半部分溫度時間圖中自動畫出溫度隨時間變化圖。4. 測定純?nèi)軇ㄋ┑哪厅c，用移液管取25ml蒸餾水直接浸入冰鹽浴中攪拌，但需要控制溫度，不要使水在管壁結(jié)成塊狀晶體，較漸變的方法是將凝固管從冰浴中交替的取出和浸入。開始結(jié)晶時，先將凝固管外冰水擦干，然后插入空氣套管中攪拌（也可之間放入冰鹽浴中進(jìn)行攪拌，但需要控制冷卻的溫度）在溫度回升至最高且保持平衡時（此時溫度計讀數(shù)最少1520

5、個點基本保持不變），點擊“停止繪圖”停止實驗并以excel格式保存所得到的實驗數(shù)據(jù)。完成一組實驗后，用手溫?zé)崮坦?，使環(huán)己烷晶體全部溶化，重新置凝固管于冰浴中，如上法操作重復(fù)進(jìn)行三次。如果在測量過程中過冷現(xiàn)象比較嚴(yán)重，可加入少量晶種，促使晶體析出，溫度回升。5. 取出大試管，用分析天平秤取0.10g左右（準(zhǔn)確到0.0001g）的未知物質(zhì)加入到凝固管內(nèi)，注意不要粘于管壁， 使其溶解，同上法測定溶液的凝固點并重復(fù)測定三次。3.4 實驗注意事項注意注意過冷過程和攪拌速度！四、實驗數(shù)據(jù)記錄及繪圖 五 計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果利用冷卻曲線計算溶液凝固點Tf為得到準(zhǔn)確的溶液凝固點，將溶液凝固后溫度回升又下降的部分

6、做反向延長線，與開始的溫度下降線相交，分別選取線性程度較好的有效數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行線性擬合，所得到兩條直線的交點即為溶液的凝固點Tf。結(jié)果如下圖3所示： 圖3步冷曲線有效數(shù)據(jù)區(qū)線性擬合結(jié)果。取開始溫度下降段和再降溫段進(jìn)行線性擬合，所得直線的交點即為所求溶液的凝固點。根據(jù)實驗測量所得到的結(jié)果，分別計算擬合曲線的方程并聯(lián)立得到溶液凝固點的溫度值：組別溫度下降段方程溫度穩(wěn)定段方程凝固點 平均值 純水1Y=-0.0128x+1.8981Y=0.0002x-0.1247-0.09358-0.09174純水2Y=-0.0536x+1.1922Y=0.0004x-0.0895-0.08000純水3Y=-0.0120

7、x+1.0413Y=0.0003x-0.1302-0.10163待測溶液1Y=-0.0419x+1.8673Y=-0.0003x-0.1848-0.19960-0.20164待測溶液2Y=-0.0477x+1.7805Y=-0.0004x-0.1812-0.19779待測溶液3Y=-0.0431x+1.5853Y=-0.0004x-0.1909-0.20754綜上，用步冷曲線法得到純水的凝固點為-0.09174，待測溶液的凝固點為-0.20164根據(jù)凝固點變化計算未知物的摩爾質(zhì)量利用前述凝固點測定結(jié)果，可根據(jù)公式（*），即計算未知物的摩爾質(zhì)量。由已知： Tf = Tf* - Tf = 0.20

8、164 - 0.09174 = 0.1099 = 0.1099KKf = 1.84 K·kg·mol-1將以上數(shù)據(jù)代入前述計算公式，得未知物的摩爾質(zhì)量為MB= 1.84 × 1000 × 0.1000 / （25.0000×0.1099）= 66.97 g/mol因此由實驗測量計算得到的未知物的摩爾質(zhì)量為66.97g/mol。六 實驗討論分析測定溶質(zhì)凝固點的測量誤差分析：測定溶質(zhì)凝固點時，對于三組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析可得：平均誤差：，可得 = 1.7931×10-5標(biāo)準(zhǔn)誤差：，可得 = 4.2345×10-3因此測量結(jié)果精確度可

9、用標(biāo)準(zhǔn)誤差表示為：Tf*=-0.20164±0.00423 ()測定溶質(zhì)（純水）凝固點過程中產(chǎn)生誤差的可能原因及分析：對溶質(zhì)的凝固點測量中，產(chǎn)生誤差的可能原因如下：首先，在測定過程中的每一次測定的條件可能不同，從而導(dǎo)致測定結(jié)果的誤差較大。例如，測定時雖然我們十分注意儀器的裝配，但如果大試管的管壁不慎碰到了冷阱，很有可能導(dǎo)致所測定的溫度不準(zhǔn)確。同時，攪拌器的不均勻或者中途發(fā)生變化可能導(dǎo)致溶質(zhì)結(jié)晶過程中各部分的熱傳導(dǎo)率等物理化學(xué)性質(zhì)不均一，從而導(dǎo)致測量誤差。測定未知物摩爾質(zhì)量過程中的產(chǎn)生誤差的可能原因及分析：數(shù)據(jù)處理中的近似：在推導(dǎo)摩爾質(zhì)量的計算公式過程中，進(jìn)行了必要的數(shù)學(xué)近似，例如認(rèn)為

10、純?nèi)軇┑哪柸刍适浅?shù)，Tf*×Tf = (Tf)2等。在一般實驗條件下，這些處理雖然不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響，但是在測量過程較為精確時，則可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)微小的偏大。實驗條件的改變：在測量溶劑和溶液的凝固點的時候，實驗條件很可能出現(xiàn)改變，這其中包括環(huán)境因素和人為因素的影響。比如環(huán)境溫度的改變導(dǎo)致實驗溫度的改變，冷阱中循環(huán)水的溫度不穩(wěn)定也可能導(dǎo)致實驗條件的變化。測量體系的改變：在實驗數(shù)據(jù)的處理過程中認(rèn)為測量體系的組成沒有變化，但是在實際情況中，很可能由于操作原因改變測量體系的組成。具體而言，在加入萘的時候可能會導(dǎo)致溶質(zhì)環(huán)己烷有微量蒸發(fā)，或者在稱取萘的過程中出現(xiàn)的操作失誤。這

11、些改變可能使得體系中mA減小或者mB增大，從而使得實驗結(jié)果偏大。測定儀器的誤差：測量過程中，精密溫度計的數(shù)值并不是很穩(wěn)定，有時會出現(xiàn)波動現(xiàn)象。此外，在記錄過程中，數(shù)據(jù)是人為判讀和記錄的，所以測定的溫度值可能與實際有所差異。這樣會導(dǎo)致根據(jù)測定數(shù)據(jù)所作的步冷曲線與實際曲線有所不同，也可能導(dǎo)致最后測量結(jié)果的誤差?？紤]稱量、移液和溫度測量三項誤差來源的誤差計算若Y為間接測量值，Xk為直接測量值，則兩者之間關(guān)系可以表示為：Y f(Xk) 結(jié)果的相對不確定度公式稱量過程的誤差為0.0002g，數(shù)字精密溫度記測量誤差為0.001，移液管誤差為0.01ml，則有：； 從而，稱量、移液和溫度測量三項誤差來源的誤

12、差分別為0.0014，0.0012和0.00040。由結(jié)果可知，誤差的主要來源是稱量和測溫過程中所產(chǎn)生的誤差。綜合以上結(jié)果，得：MB66.97×(1±0.002)(66.97±0.13)g/mol七 結(jié)論本次實驗通過凝固點降低法測定未知物的摩爾質(zhì)量，測定結(jié)果匯總?cè)缦拢杭兯內(nèi)軇┠厅c： Tf*=-0.09174。未知物溶液凝固點：Tf = -0.20164.未知物的摩爾質(zhì)量： MB = 66.97±0.13g/mol八 實驗思考題實驗中所配溶液濃度，太濃或太稀都會使實驗結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，為什么？在本次實驗中，溶液的濃度應(yīng)使得測定過程中有部分溶質(zhì)凝固析出

13、，但還有一部分剩余溶液，且其濃度應(yīng)當(dāng)保持在一定的值。因此，如果溶液太稀，可能在析出的時候會完全析出，從而使得測量的凝固點溫度不準(zhǔn)確。另一方面，溶液濃度太小會使得凝固點的變化量太小，從而使實驗中的誤差對結(jié)果的影響很大，造成結(jié)果不準(zhǔn)確。而如果溶液太濃，首先就會使得溶液的性質(zhì)不符合稀溶液的依數(shù)性原理，使得計算公式不適用于所測定的體系，造成較大的實驗誤差。為什么會產(chǎn)生過冷現(xiàn)象？在凝固過程中，新生的固相在生成時由于其顆粒直徑很小，比表面能較高，所以體系很難自發(fā)地向能量較高的方向進(jìn)行。此時即便溫度降低到相變點（凝固點）以下，相變過程也無法發(fā)生，從而導(dǎo)致體系的溫度低于凝固點，即過冷現(xiàn)象（此體系成為過冷液體）

14、。在此狀況下，若體系的能量升至很高或收到外界干擾（比如投入大小適宜的晶核），液體即會迅速凝固為固體，發(fā)生相變過程。原理中計算公式的導(dǎo)出作了哪些近似處理，如何判斷本實驗中這些假設(shè)的合理性？答：在計算公式的推導(dǎo)過程從出發(fā)，進(jìn)行了一下幾項近似處理：a) 測定溶液符合稀溶液依數(shù)性，為理想稀薄溶液（溶質(zhì)分子在溶液中的活度近似等于1）。b) 純?nèi)軇┑哪柸芑什浑S溫度T變化。c) Tf*·Tf = (Tf)2d) 析出的第一粒固體是純固體實驗中溶劑的濃度很小，所以析出的固體可近似認(rèn)為是純固體。溶液可以近似認(rèn)為是理想稀薄溶液。因為DTf較小，其變化而導(dǎo)致摩爾熔化熱的變化可以忽略，也因此可以近似認(rèn)為Tf*·Tf = (Tf)2。最終實驗結(jié)果與理論值較吻合，說明推導(dǎo)過程中的這些近似是合理的。九 參考文獻(xiàn)1張連慶等.步冷曲線法對凝固點降低測定摩爾質(zhì)量的改進(jìn).大學(xué)化學(xué).北京：大學(xué)化學(xué)編輯部,2006.第21卷.第二期.5456.2H W Salzberg