實驗一凝固點降低法測摩爾質(zhì)量

1、華南師范大學(xué)物理化學(xué)研究所孫艷輝 實驗一實驗一 凝固點降低法測摩爾質(zhì)量凝固點降低法測摩爾質(zhì)量l實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康膌實驗原理實驗原理l 儀器和試劑儀器和試劑l實驗步驟實驗步驟l數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l評注與拓展評注與拓展l提問思考提問思考實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康膌(1) 明確溶液凝固點的定義及獲得凝固點明確溶液凝固點的定義及獲得凝固點 l 的正確方法；的正確方法； (2) 測定水的凝固點降低值，計算蔗糖的測定水的凝固點降低值，計算蔗糖的 分子量。分子量。 l(3) 掌握凝固點降低法測分子量的原理，掌握凝固點降低法測分子量的原理， l 加深對稀溶液依數(shù)性的理解。加深對稀溶液依數(shù)性的理解。l(4) 掌握貝克曼溫度計

2、的使用方法。掌握貝克曼溫度計的使用方法。 l 實驗原理實驗原理l凝固點降低是稀溶液的一種依數(shù)性。l凝固點是指在一定壓力下，溶液中純?nèi)軇╅_始析出的溫度。由于溶質(zhì)的加入，使固態(tài)純?nèi)軇娜芤褐形龀龅臏囟萒f比純?nèi)軇┑哪厅cTf*下降，其降低值Tf = Tf* - Tf與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比，即 實驗原理實驗原理Tf* ： 純?nèi)軇┘內(nèi)軇〢的凝固點的凝固點; Tf ： 溶液的凝固點溶液的凝固點Tf：為凝固點降低值：為凝固點降低值 ; mB： 質(zhì)量摩爾濃度質(zhì)量摩爾濃度Kf : 凝固點降低常數(shù)，凝固點降低常數(shù)， 單位為單位為Kkgmol-1MB: 溶質(zhì)溶質(zhì)B的摩爾質(zhì)量的摩爾質(zhì)量; m2溶質(zhì)質(zhì)量溶質(zhì)質(zhì)量(

3、g)；m1溶劑質(zhì)量溶劑質(zhì)量(g) 100012BmTmKMff)(=-=*BmKTTTffff實驗原理實驗原理l通常測凝固點的方法有平衡法和貝克曼法（或步冷曲線法）。本實驗采用后者。l其基本原理是將純?nèi)軇┗蛉芤壕徛齽蛩倮鋮s，記錄體系溫度隨時間的變化，繪出步冷曲線（溫度-時間曲線），用外推法求得純?nèi)軇┗蛳∪芤褐腥軇┑哪厅c。實驗原理實驗原理- -過冷法過冷法 圖1-1（1） 純液體的冷卻曲線純液體的冷卻曲線圖圖1-1（2）溶液的冷卻）溶液的冷卻曲線曲線實驗原理l 純?nèi)軇┎嚼淝€：純?nèi)軇┎嚼淝€：l 純?nèi)軇┲鸩嚼鋮s時，體系溫度隨時間均勻下降，到某一溫度時有固體析出，由于結(jié)晶放出的凝固熱抵消了體系降

4、溫時傳遞給環(huán)境的熱量，因而保持固液兩相平衡，當(dāng)放熱與散熱達到平衡時，溫度不再改變。在步冷曲線上呈現(xiàn)出一個平臺；l 當(dāng)全部凝固后，溫度又開始下降。從理論上來講，對于純?nèi)軇灰桃簝上嗥胶夤泊?，同時體系溫度均勻，那么每次測定的凝固點值應(yīng)該不變。但實際上由于過冷現(xiàn)象存在，往往每次測定值會有起伏。當(dāng)過冷現(xiàn)象存在時，純?nèi)軇┑牟嚼淝€如圖1-1（1）所示。即先過冷后足夠量的晶體產(chǎn)生時，大量的凝固熱使體系溫度回升，回升后在某一溫度維持不變，此不變的溫度作為純?nèi)軇┑哪厅c。實驗原理l 稀溶液的步冷曲線：l 稀溶液凝固點測定也存在上述類似現(xiàn)象。l 沒有過冷現(xiàn)象存在時，溶液首先均勻降溫，當(dāng)某一溫度有溶劑開始析出

5、時，凝固熱抵消了部分體系向環(huán)境的放熱，在步冷曲線上表現(xiàn)為一轉(zhuǎn)折點，此溫度即為該平衡濃度稀溶液的凝固點，隨著溶劑析出，凝固點逐漸降低。l 但溶液的過冷現(xiàn)象普遍存在。當(dāng)某一濃度的溶液逐漸冷卻成過冷溶液，通過攪拌或加入晶種促使溶劑結(jié)晶，由結(jié)晶放出的凝固熱抵消了體系降溫時傳遞給環(huán)境的熱量，當(dāng)凝固放熱與體系散熱達到平衡時，溫度不再回升。此固液兩相共存的平衡溫度即為溶液的凝固點。實驗原理l 但過冷太厲害或寒劑溫度過低，則凝固熱抵償不了散熱，此時溫度不能回升到凝固點，在溫度低于凝固點時完全凝固，就得不到正確的凝固點。l 上述也可從相律分析，溶劑與溶液的冷卻曲線形狀不同。對純?nèi)軇﹥上喙泊鏁r，自由度f*=1-2

6、+1=0，冷卻曲線出現(xiàn)水平線段，其形狀如圖1-1(1)所示。對溶液兩相共存時，自由度f*=2-2+1=1，溫度仍可下降，但由于溶劑凝固時放出凝固熱，使溫度回升，但回升到最高點又開始下降，所以冷卻曲線不出現(xiàn)水平線段，如圖1-1(2)所示。由于溶劑析出后，剩余溶液濃度變大，顯然回升的最高溫度不是原濃度溶液的凝固點，嚴格的做法應(yīng)作冷卻曲線，并按圖1-1(2)中所示方法加以校正。但由于冷卻曲線不易測出，而真正的平衡濃度又難于直接測定，實驗總是用稀溶液，并控制條件使其晶體析出量很少，所以以起始濃度代替平衡以起始濃度代替平衡濃度，濃度，對測定結(jié)果不會產(chǎn)生顯著影響。 儀器和試劑儀器和試劑l 凝固點測定儀凝固

7、點測定儀 1套套 l 燒杯燒杯 2個個l 數(shù)字式貝克曼溫度計數(shù)字式貝克曼溫度計 1臺臺l 放大鏡放大鏡 1個個l 普通溫度計普通溫度計(050) 1只只l 壓片機壓片機 1個個l 移液管移液管(50mL) 1只只l 蔗糖蔗糖(AR) 粗鹽粗鹽(AR)實驗步驟實驗步驟1. 純水凝固點的測定純水凝固點的測定2. 蔗糖蔗糖-水溶液凝固點的測定水溶液凝固點的測定 (1) 調(diào)節(jié)寒劑調(diào)節(jié)寒劑(冷卻劑冷卻劑)的溫度的溫度 取適量粗鹽與冰水混合，使寒劑溫度為取適量粗鹽與冰水混合，使寒劑溫度為-2-3，在實驗過，在實驗過程中不斷攪拌，使寒劑保持此溫度。程中不斷攪拌，使寒劑保持此溫度。 (2) 溶劑凝固點的測定溶

8、劑凝固點的測定 1)儀器裝置如圖儀器裝置如圖1-2所示。用移液管向清潔、干燥的凝固點所示。用移液管向清潔、干燥的凝固點管內(nèi)加入管內(nèi)加入50mL純水，并記下水的溫度，插入貝克曼溫度純水，并記下水的溫度，插入貝克曼溫度計探頭，不要碰壁與觸底。計探頭，不要碰壁與觸底。 2)先將盛水的凝固點管直接插入寒劑中，均勻攪拌，使水的先將盛水的凝固點管直接插入寒劑中，均勻攪拌，使水的溫度逐漸降低，當(dāng)冷到溫度逐漸降低，當(dāng)冷到0.7以后，要快速攪拌以后，要快速攪拌(以攪棒下以攪棒下端擦管底端擦管底)，幅度要盡可能的小，待溫度回升后，恢復(fù)原來，幅度要盡可能的小，待溫度回升后，恢復(fù)原來的攪拌速度，同時觀察貝克曼溫度計讀

9、數(shù)，直到溫度回升的攪拌速度，同時觀察貝克曼溫度計讀數(shù)，直到溫度回升穩(wěn)定為止，此溫度即為水的近似凝固點。穩(wěn)定為止，此溫度即為水的近似凝固點。 實驗步驟實驗步驟l1. 純水凝固點的測定純水凝固點的測定實驗步驟實驗步驟l 3)取出凝固點管，用手捂住管壁片刻，同時不斷取出凝固點管，用手捂住管壁片刻，同時不斷攪拌，使管中固體全部熔化，將凝固點管放在空攪拌，使管中固體全部熔化，將凝固點管放在空氣套管中，緩慢攪拌，使溫度逐漸降低，當(dāng)溫度氣套管中，緩慢攪拌，使溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降至近似凝固點時，自支管加入少量晶種，并快降至近似凝固點時，自支管加入少量晶種，并快速攪拌速攪拌(在液體上部在液體上部)，待溫度回升

10、后，再改為緩，待溫度回升后，再改為緩慢攪拌。直到溫度回升到穩(wěn)定為止，記下穩(wěn)定的慢攪拌。直到溫度回升到穩(wěn)定為止，記下穩(wěn)定的溫度值，重復(fù)測定三次，每次之差不超過溫度值，重復(fù)測定三次，每次之差不超過0.006，三次平均值作為純水的凝固點。三次平均值作為純水的凝固點。 l 實驗步驟l2 溶液凝固點的測定溶液凝固點的測定 l 取出凝固點管，如前將管中冰溶化，用壓片機將取出凝固點管，如前將管中冰溶化，用壓片機將蔗糖壓成片，用分析天平精確稱重蔗糖壓成片，用分析天平精確稱重(約約0.5 g)，自，自凝固點管的支管加入樣品，待全部溶解后，測定凝固點管的支管加入樣品，待全部溶解后，測定溶液的凝固點。測定方法與純水

11、的相同，先測近溶液的凝固點。測定方法與純水的相同，先測近似的凝固點，再精確測定，但溶液凝固點是取回似的凝固點，再精確測定，但溶液凝固點是取回升后所達到的最高溫度。重復(fù)三次，取平均值。升后所達到的最高溫度。重復(fù)三次，取平均值。 l 用同樣的方法測定重量近似的第二片蔗糖片形成用同樣的方法測定重量近似的第二片蔗糖片形成的溶液的凝固點。的溶液的凝固點。凝固點測定裝置凝固點測定裝置 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 1. 分別將純水，蔗糖分別將純水，蔗糖-水溶液的凝固點測定結(jié)水溶液的凝固點測定結(jié)果列于下表中。果列于下表中。t(min)0.511.522.5溫度溫度 2.以溫度為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，作出冷卻以溫度為縱坐

12、標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，作出冷卻曲線圖，求出曲線圖，求出Tf* ，Tf 及及 Tf 。3. 計算蔗糖的摩爾質(zhì)量計算蔗糖的摩爾質(zhì)量M 實驗評注與拓展 l 本實驗成功的關(guān)鍵點有下述幾方面：l （1）攪拌速度的控制是做好本實驗的關(guān)鍵，每次測定應(yīng)按要求的速度攪拌，并且測溶劑與溶液凝固點時攪拌條件要完全一致。 l (2) 寒劑溫度對實驗結(jié)果也有很大影響，過高會導(dǎo)致冷卻太慢，過低則測不出正確的凝固點。 l (3) 純水過冷度約0.71(視攪拌快慢)，為了減少過冷度，而加入少量晶種，每次加入晶種大小應(yīng)盡量一致。 實驗評注與拓展 l 拓展：拓展：l 凝固點降低時稀溶液的依數(shù)性質(zhì)，降低值的多少直接反映溶液中溶質(zhì)有效質(zhì)點的數(shù)目。如果溶質(zhì)在溶液中有解離、締合、溶劑化和生成絡(luò)合物等情況，均影響溶質(zhì)在溶劑中的表觀分子量。因此，凝固點降低法還可用來測定弱電解質(zhì)的電離度、溶質(zhì)的締合度、活度及活度系數(shù)等。l 另外，利用凝固點降低這個性質(zhì)，在科研中還可用來鑒定物質(zhì)的純度及求物質(zhì)的熔