實(shí)驗(yàn)一凝固點(diǎn)降低法測(cè)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(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 凝固點(diǎn)降低法測(cè)摩爾質(zhì)量凝固點(diǎn)降低法測(cè)摩爾質(zhì)量l實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膌實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理l 儀器和試劑儀器和試劑l實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟l數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理l評(píng)注與拓展評(píng)注與拓展l提問思考提問思考實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康膌(1) 明確溶液凝固點(diǎn)的定義及獲得凝固點(diǎn)明確溶液凝固點(diǎn)的定義及獲得凝固點(diǎn) l 的正確方法；的正確方法； (2) 測(cè)定水的凝固點(diǎn)降低值，計(jì)算蔗糖的測(cè)定水的凝固點(diǎn)降低值，計(jì)算蔗糖的 分子量。分子量。 l(3) 掌握凝固點(diǎn)降低法測(cè)分子量的原理，掌握凝固點(diǎn)降低法測(cè)分子量的原理， l 加深對(duì)稀溶液依數(shù)性的理解。加深對(duì)稀溶液依數(shù)性的理解。l(4) 掌握貝克曼溫度計(jì)

2、的使用方法。掌握貝克曼溫度計(jì)的使用方法。 l 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理l凝固點(diǎn)降低是稀溶液的一種依數(shù)性。l凝固點(diǎn)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c(diǎn)Tf*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(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理Tf* ： 純?nèi)軇┘內(nèi)軇〢的凝固點(diǎn)的凝固點(diǎn); Tf ： 溶液的凝固點(diǎn)溶液的凝固點(diǎn)Tf：為凝固點(diǎn)降低值：為凝固點(diǎn)降低值 ; mB： 質(zhì)量摩爾濃度質(zhì)量摩爾濃度Kf : 凝固點(diǎn)降低常數(shù)，凝固點(diǎn)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(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理l通常測(cè)凝固點(diǎn)的方法有平衡法和貝克曼法（或步冷曲線法）。本實(shí)驗(yàn)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(shí)間的變化，繪出步冷曲線（溫度-時(shí)間曲線），用外推法求得純?nèi)軇┗蛳∪芤褐腥軇┑哪厅c(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理l 純?nèi)軇┎嚼淝€：純?nèi)軇┎嚼淝€：l 純?nèi)軇┲鸩嚼鋮s時(shí)，體系溫度隨時(shí)間均勻下降，到某一溫度時(shí)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(shí)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(dá)到平衡時(shí)，溫度不再改變。在步冷曲線上呈現(xiàn)出一個(gè)平臺(tái)；l 當(dāng)全部凝固后，溫度又開始下降。從理論上來講，對(duì)于純?nèi)軇?，只要固液兩相平衡共存，同時(shí)體系溫度均勻，那么每次測(cè)定的凝固點(diǎn)值應(yīng)該不變。但實(shí)際上由于過冷現(xiàn)象存在，往往每次測(cè)定值會(huì)有起伏。當(dāng)過冷現(xiàn)象存在時(shí)，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(shí)，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(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理l 稀溶液的步冷曲線：l 稀溶液凝固點(diǎn)測(cè)定也存在上述類似現(xiàn)象。l 沒有過冷現(xiàn)象存在時(shí)，溶液首先均勻降溫，當(dāng)某一溫度有溶劑開始析出

5、時(shí)，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(diǎn)，此溫度即為該平衡濃度稀溶液的凝固點(diǎn)，隨著溶劑析出，凝固點(diǎn)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(shí)傳遞給環(huán)境的熱量，當(dāng)凝固放熱與體系散熱達(dá)到平衡時(shí)，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(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)溫度不能回升到凝固點(diǎn)，在溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)完全凝固，就得不到正確的凝固點(diǎn)。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(duì)純?nèi)軇﹥上喙泊鏁r(shí)，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(duì)溶液兩相共存時(shí)，自由度f*=2-2+1=1，溫度仍可下降，但由于溶劑凝固時(shí)放出凝固熱，使溫度回升，但回升到最高點(diǎn)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(diǎn)，嚴(yán)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(cè)出，而真正的平衡濃度又難于直接測(cè)定，實(shí)驗(yàn)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(duì)測(cè)定結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。 儀器和試劑儀器和試劑l 凝固點(diǎn)測(cè)定儀凝固

7、點(diǎn)測(cè)定儀 1套套 l 燒杯燒杯 2個(gè)個(gè)l 數(shù)字式貝克曼溫度計(jì)數(shù)字式貝克曼溫度計(jì) 1臺(tái)臺(tái)l 放大鏡放大鏡 1個(gè)個(gè)l 普通溫度計(jì)普通溫度計(jì)(050) 1只只l 壓片機(jī)壓片機(jī) 1個(gè)個(gè)l 移液管移液管(50mL) 1只只l 蔗糖蔗糖(AR) 粗鹽粗鹽(AR)實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟1. 純水凝固點(diǎn)的測(cè)定純水凝固點(diǎn)的測(cè)定2. 蔗糖蔗糖-水溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定水溶液凝固點(diǎn)的測(cè)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(shí)驗(yàn)過，在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)的測(cè)定溶

8、劑凝固點(diǎn)的測(cè)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(diǎn)所示。用移液管向清潔、干燥的凝固點(diǎn)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(jì)探頭，不要碰壁與觸底。計(jì)探頭，不要碰壁與觸底。 2)先將盛水的凝固點(diǎn)管直接插入寒劑中，均勻攪拌，使水的先將盛水的凝固點(diǎn)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(shí)觀察貝克曼溫度計(jì)讀

9、數(shù)，直到溫度回升的攪拌速度，同時(shí)觀察貝克曼溫度計(jì)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(diǎn)。穩(wěn)定為止，此溫度即為水的近似凝固點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟l1. 純水凝固點(diǎn)的測(cè)定純水凝固點(diǎn)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟l 3)取出凝固點(diǎn)管，用手捂住管壁片刻，同時(shí)不斷取出凝固點(diǎn)管，用手捂住管壁片刻，同時(shí)不斷攪拌，使管中固體全部熔化，將凝固點(diǎn)管放在空攪拌，使管中固體全部熔化，將凝固點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，自支管加入少量晶種，并快降至近似凝固點(diǎn)時(shí)，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(cè)定三次，每次之差不超過溫度值，重復(fù)測(cè)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(diǎn)。三次平均值作為純水的凝固點(diǎn)。 l 實(shí)驗(yàn)步驟l2 溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定 l 取出凝固點(diǎn)管，如前將管中冰溶化，用壓片機(jī)將取出凝固點(diǎn)管，如前將管中冰溶化，用壓片機(jī)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(diǎn)管的支管加入樣品，待全部溶解后，測(cè)定凝固點(diǎn)管的支管加入樣品，待全部溶解后，測(cè)定溶液的凝固點(diǎn)。測(cè)定方法與純水

11、的相同，先測(cè)近溶液的凝固點(diǎn)。測(cè)定方法與純水的相同，先測(cè)近似的凝固點(diǎn)，再精確測(cè)定，但溶液凝固點(diǎn)是取回似的凝固點(diǎn)，再精確測(cè)定，但溶液凝固點(diǎn)是取回升后所達(dá)到的最高溫度。重復(fù)三次，取平均值。升后所達(dá)到的最高溫度。重復(fù)三次，取平均值。 l 用同樣的方法測(cè)定重量近似的第二片蔗糖片形成用同樣的方法測(cè)定重量近似的第二片蔗糖片形成的溶液的凝固點(diǎn)。的溶液的凝固點(diǎn)。凝固點(diǎn)測(cè)定裝置凝固點(diǎn)測(cè)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(diǎn)測(cè)定結(jié)水溶液的凝固點(diǎn)測(cè)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(shí)間為橫坐標(biāo)，作出冷卻以溫度為縱坐

12、標(biāo)，時(shí)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(jì)算蔗糖的摩爾質(zhì)量計(jì)算蔗糖的摩爾質(zhì)量M 實(shí)驗(yàn)評(píng)注與拓展 l 本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵點(diǎn)有下述幾方面：l （1）攪拌速度的控制是做好本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，每次測(cè)定應(yīng)按要求的速度攪拌，并且測(cè)溶劑與溶液凝固點(diǎn)時(shí)攪拌條件要完全一致。 l (2) 寒劑溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有很大影響，過高會(huì)導(dǎo)致冷卻太慢，過低則測(cè)不出正確的凝固點(diǎn)。 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(shí)驗(yàn)評(píng)注與拓展 l 拓展：拓展：l 凝固點(diǎn)降低時(shí)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(diǎn)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(diǎn)降低法還可用來測(cè)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(diǎn)降低這個(gè)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