物理化学实验讲义wang.ppt

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1、物理化学实验讲座,2,电池电动势的测定-对消法,表面张力的测定-最大泡压法,表面活性剂CMC值的测定-电导法,实 验 内 容,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,纯液体的饱和蒸气压-静态法,3,1.实验目的2.实验原理3.实验仪器与试剂4.实验步骤5.实验注意事项,电池电动势的测定,-对消法,4,掌握对消法测定电池电动势和电极电势的原理,学会铜电极和锌电极的处理方法,掌握电位差计的测量原理和正确的使用方法,1.实验目的,电池电动势的测定-对消法,5,2.实验原理,电池电动势不能用伏特计直接测量,因为当伏特计与电池接通后，由于存在电流I，使电动势值发生变化；另一方面，由于电池本身存在内电阻，所以伏特

2、计所量出的只是两极的电势降，而不是电池的电动势。只有在没有电流通过时的电势降才是电池真正的电动势。,电池电动势的测定-对消法,6,=I（R内+R外）伏特计测量：U=IR外U/=R外/（R内+R外）当R外，I0，U/1，U,电势差计就是利用对消法原理进行电势差测量的仪器，即能在电池无电流（或极小电流）通过时测得其两极的电势差，这时的电势差就是电池的电动势。,2.实验原理,电池电动势的测定-对消法,7,对消法测量电池电动势最基本的原理图,由图可见，测量的最关键问题是如何得到一个精确可调的电压u。,2.实验原理,电池电动势的测定-对消法,8,2.实验原理,当转换开关K合至1，调节r，使检流计G中无电

3、流通过，此时有：EN=IRN（I为工作电流）,当转换开关K合至2，调节滑线电阻A，再次使检流计G指示为零，此时在可调电阻R上的电阻值设为RK，则有：EX=IRK,EX=ENRK/RN,电池电动势的测定-对消法,9,调节Rx使检流计中电流为零，此时,Ex的测定,2.实验原理,电池电动势的测定-对消法,10,3.实验仪器与试剂,电位差计，标准电池，检流计，干电池，0.1molL-1CuSO4溶液 0.1molL-1ZnSO4溶液，饱和Hg2Cl2，饱和KCl，铜丝，锌棒，甘汞电极，盐桥，砂纸，超级恒温槽,电池电动势的测定-对消法,11,4.实验步骤,打开超级恒温槽电源开关，调节温度为25,按式En

4、=1.01865-4.0510-5(T-293)-9.510-7(T-293)2+110-8(T-293)3计算标准电池在实验温度下的电动势，并相应调节标准电动势温度补偿旋钮。,电池电动势的测定-对消法,12,4.实验步骤,检流计灵敏度旋钮指向短路的情况下，打开检流计电源开关。然后将灵敏度旋钮指向0.01档,通过调节调零旋钮及光标上的手柄,使光指向零点。,电池电动势的测定-对消法,13,4.实验步骤,将电位差计上转向开关指向“N”档，并将“粗、中、细”四个旋钮归零，按下“粗”摁键，观察检流计光标偏转方向（注意：按一下即松开，不可长时间按下），加“粗”后再按一下，观察光标偏转方向，反复此过程，当

5、光标偏转方向反向后，将“粗”旋钮最后所加一格减去。开始加“中”旋钮（当光标偏转不明显时可按“细”摁键，或加大检流计灵敏度），当“中”调好后，可将检流计“细”摁键一直压下，迅速调节“细”、“微”旋钮，使检流计光标指向零线。此时工作回路电流即调整完毕。（注意：电位差计上“短路”摁键用于当光标来回摆动过快时，让光标迅速停止摆动。使用时应一下一下的按）。,电池电动势的测定-对消法,14,4.实验步骤,处理电极.Cu电极：用砂纸打磨光，冲洗干净即可。Zn电极：用砂纸打磨光，冲洗干净后，在饱和Hg2Cl2溶液浸泡片刻，再用蒸馏水冲洗干净即可。,电池电动势的测定-对消法,15,4.实验步骤,将CuSO4溶液

6、、ZnSO4溶液、饱和KCl溶液分别加入到样品管中，并插入盐桥及相应的电极。首先组成Zn甘汞电池，并连入电位差计（注意：极性不能连错），将电位差计换向开关指向“X1”或“X2”，并将测量电阻归零，检流计灵敏度旋钮指向0.01，按下电位差计“粗”摁键，观察检流计偏转方向，然后交替进行增加“10-1V”旋钮数值和按下“粗”摁键的操作，确定“10-1V”旋钮的准确数值（注意：当光标偏转方向改变时，应将所加的最后一档减去），然后依次调节其它旋钮的数值。（注意：当检流计检不出电流时，可按“细”摁键，或增大检流计的灵敏度，当只剩下10-5V及10-6V旋钮时，可将“细”摁键始终压着迅速调节。）并记录此时电

7、动势值。组成ZnCu电极用相同方法测其电动势。,电池电动势的测定-对消法,16,测试时必须先按电位计上“粗”按钮，待检流计示零后，再按“细”按钮，以免检流计偏转过猛而损坏，按按钮时间要短，不超过1s，以防止过多电量通过标准电池和待测电池，造成 严重极化现象，破坏电池的电化学可逆状态。,5.实验注意事项,连接线路时，切勿正、负极接反。,电池电动势的测定-对消法,17,溶液表面张力的测定,-最大泡压法,1.实验目的2.实验原理3.实验仪器与试剂4.实验步骤5.实验注意事项,18,表面张力的测定-最大泡压法,1.实验目的,了解表面自由能、表面张力的意义及表面张力与吸附的关系。,通过测定不同浓度正丁醇

8、水溶液的表面张力，根据Gibbs吸附等温式吉布斯计算表面吸附量和正丁醇分子的横截面积。,掌握最大泡压法测定表面张力的原理和技术。,19,2.实验原理,物体表面分子和内部分子所处的境遇不同，表面层分子受到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势。如果把一个分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。在温度、压力和组成都恒定时，可逆地使表面增加S所需对体系做的功，叫表面功，可表示为：,-A=G=S,称为表面自由能，单位为J/m2。若把看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。,表面自由能和表面张力,表面张力的测定-最大泡压法,20,2.实验原理,在温度、压力、组成恒定时，每增加单

9、位表面积，体系的吉布斯自由能的增值称为表面吉布斯自由能（Jm-2），用表示。也可以看作是垂直作用在单位长度相界面上的力，即表面张力（Nm-1）。在定温定压下纯溶剂的表面张力是定值。,影响表面张力的因素：液体的表面张力与温度有关，温度越高，表面张力越小。液体的表面张力与液体的浓度有关，在溶剂中加入溶质，表面张力就会发生变化。,表面张力的测定-最大泡压法,21,2.实验原理,如果溶质加入能降低表面张力时，根据能量最低原则，表面层溶质浓度比内部大；反之增加表面张力时，则溶液在表面的浓度比内部小。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。,在指定温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力

10、和浓度有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯吸附方程：,表面张力的测定-最大泡压法,22,其中为表面吸附量(单位:molm-2），c为溶质的浓度，为溶液的表面张力：,1）若 0，为正吸附，表面层溶质浓度大于本体溶液，溶质是表面活性剂。,2）若 0，为负吸附，表面层溶质浓度小于本体溶液，溶质是非表面活性剂。,2.实验原理,表面张力的测定-最大泡压法,23,2.实验原理,在-c曲线上任选一点i作切线,即可得该点所对应浓度Ci 的斜率，再由上式可求得不同浓度下的值。,以表面张力对浓度作图,可得到-c曲线,D,B,c,表面张力的测定-最大泡压法,24,2.实验原理,温度恒定时，吸附量与溶液浓度

11、之间遵循Langmuir等温式：,溶液的饱和吸附量:,作(c/)-c图,直线斜率的倒数即为。,L=6.021023,分子的截面积,如果以N代表1m2 表面上溶质的分子数,则有:N=L,表面张力的测定-最大泡压法,25,2.实验原理,测表面张力的方法很多，有毛细管上升法，滴重法，最大气泡压力法，吊环法等。,最大气泡压力法：从侵入液面下的毛细管鼓出空气泡时，需要高于外部大气压的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力与表面张力和气泡的曲率半径成反比：,表面张力的测定-最大泡压法,26,如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，

12、曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R与毛细管半径相等，曲率半径达到最小值，这时的附加压力达到最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。,按照式，Rr时的最大附加压力为：,表面张力的测定-最大泡压法,27,3.实验仪器与试剂,表面张力仪；10mL吸量管；2mL吸量管；正丁醇溶液。,表面张力的测定-最大泡压法,28,4.实验步骤,表面张力的测定-最大泡压法,连接电源，打开电源开关（在仪器后面板上），在水浴槽中加 入蒸馏水至加热棒的上沿处。,设置水浴温度（一般设置为25，当气温较高时，一般设置为气温+5），开启加热开关和搅拌开关，调节合适的搅拌速率（一般为550-60

13、0r/min左右）。,清洗样品管，装入蒸馏水至刻度线处，调节液位调节器，使毛细管与液面相切，恒温10-15min，进行毛细管常熟测定。,29,仪器常数的测定将仪器的出气口与样品管的增压操作口连接，将增/减压操作切换开关打到增压侧，调节气速调节器使压力变化容易读数，记录压力表显示的最大正压力值，读取三组数据；将增/减压操作切换开关打到中间位置（断路位置），将仪器的出气口与样品管的减压操作口连接，将增/减压操作切换开关打到减压侧，调节气速调节器使压力变化容易读数，记录压力表显示的最大负压力值，读取三组数据；用水的标准表面张力值和上述测定的最大正压力值与最大负压力值的差值计算毛细管常数。,4.实验步

14、骤,表面张力的测定-最大泡压法,30,4.实验步骤,表面张力的测定-最大泡压法,对待测样品溶液进行测量。依照步骤4，从小浓度依次到大浓度，每次测完后将样品倒入废液回收处，直接用少量下一个高浓度样品淌洗样品管，再次装入样品，恒温10-15min后进行测量。（应注意液位计的液位高度变化，切不可液位相差过高）,测量结束，关闭增/减压开关，关闭搅拌，关闭控温开关，打开平衡开关，使两液位计液位向平，关闭平衡开关。,31,-电导法,1.实验目的2.实验原理3.实验仪器与试剂4.实验步骤5.实验注意事项,表面活性剂临界胶束浓度的测定,-电导法,32,临界胶束浓度的测定-电导法,1.实验目的,了解表面活性剂临

15、界胶束浓度的测定原理；,掌握临界胶束浓度的测定方法和电导率仪的使用方法。,33,2.实验原理,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。当浓度增大到一定程度时，许多表面活性剂物质的分子立刻结合成很大的集团，形成“胶束”。胶束可以成球状、棒状或层状。形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度（Critical Micelle Concentration CMC）。,临界胶束浓度的测定-电导法,34,2.实验原理,表面活性剂溶液的许多物理化学性质随着胶团的出现而发生突变。,只有溶液浓度稍高于CMC时，才能充分发挥表面活性剂的作用，所以CMC是表面活性剂的一种重要量

16、度。,临界胶束浓度的测定-电导法,35,原则上，表面活性剂随浓度变化的物理化学性质都可以用于测定CMC，常用的方法有表面张力法、电导法、染料法等。本实验采用电导法测定表面活性剂的电导率来确定CMC值。它是利用离子型表面活性剂水溶液的电导率随浓度的变化关系，作-c曲线或m-c1/2曲线，由曲线的转折点求出CMC值。,对于胶体电解质，在稀溶液时的电导率，摩尔电导率的变化规律与强电解质一样，但是随着溶液中胶团的生成，电导率和摩尔电导率发生明显变化，这就是确定CMC的依据。,2.实验原理,临界胶束浓度的测定-电导法,36,。,3.实验仪器与试剂,0.02M十二烷基硫酸钠溶液 0.0100KCl标准溶液

17、 50ml比色管11只 移液管(5ml、10ml各一支)超级恒温槽 电导率仪,临界胶束浓度的测定-电导法,37,4.实验步骤,打开超级恒温槽电源，将温度调至25，并将装有0.02M十二烷基硫酸钠溶液的试剂瓶放入水浴中，以使试样完全溶解，当溶液澄清后取出。,临界胶束浓度的测定-电导法,在11只25ml比色管中分别移取1.25、2.50、5.00、7.50、10.00、12.50、15.00、17.50、20.00、22.50、25.00ml十二烷基硫酸钠（0.02 M），分别配制0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.010、0.012、0.014、0.016、0.018

18、、0.020M的待测溶液，然后分成两组用皮筋扎起放入恒温水槽中恒温15min。,38,4.实验步骤,打开电导率仪开关，预热15分钟。将电导池常数旋钮调至电导电极标明的数值。,用电导率仪由低到浓的顺序依次测定样品的电导率。,临界胶束浓度的测定-电导法,测完后关闭电导率仪电源开关以及超级恒温水浴槽电源开关，将被测溶液倒入废液回收处。,39,清洗电导电极时，两个铂片不能有机械摩擦，可用电导水淋洗，后将其竖直，用滤纸轻吸，将水吸净，并且不能使滤纸沾洗内部铂片。,应由低到高的浓度顺序测量样品的电导率。,电极在冲洗后必须擦干，以保证溶液浓度的准确，电极在使用过程中其极片必须完全浸入到所测的溶液中。,5.实

19、验注意事项,临界胶束浓度的测定-电导法,40,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,1.实验目的2.实验原理3.实验仪器与试剂4.实验步骤5.实验注意事项,41,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,1.实验目的,掌握黏度法测定聚合物分子量的基本原理和实验技术。,理解粘均分子量的物理意义。,42,分子量是表征聚合物特征的重要参数之一，高聚物的相对分子质量大小不一，其摩尔质量常在103-107之间。黏度法测定分子量是最常用的测定聚合物分子量的技术，以其设备简单，操作方便，实验精度高受到了人们的欢迎。,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,2.实验原理,43,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,2.实验原理,高聚物在稀

20、溶液中的是它在流动过程所存在的内摩擦的反映，这种流动过程中的内摩擦主要有：溶剂分子之间的内摩擦；高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦；以及高聚物分子间的内摩擦。其中溶剂分子之间的内摩擦又称为纯溶剂的粘度，以0 表示；三种内摩擦的总和称为高聚物分子间的内摩擦，以表示。由于聚合物的相对分子量远大于溶剂，因此将聚合物溶解于溶剂时，0。可以用多种方式来表示表示相对于0 的变化。,溶液的粘度,44,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,2.实验原理,溶液的粘度与溶液的浓度有关,溶液的粘度的各种定义及表达式：,45,当高聚物、溶剂、温度等确定以后，特性粘度值只与高聚物的相对分子质量M有关。,聚合物粘均分子量的测定-粘

21、度法,2.实验原理,特性粘度：,特性粘度又称极限粘度，其值与浓度无关，量纲是浓度的倒数,数值取决于聚合物的相对分子量和结构，溶剂的温度和溶剂的特性。,K和是与相对分子质量无关的常数。查表可得K和的值，即可根据所测得的值计算样品聚合物的相对分子质量。,46,在足够稀的溶液中，粘数和对数粘数与溶液浓度之间呈线性关系,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,2.实验原理,特性粘度的测定原理：,47,式中：为液体的密度；l为毛细管长度；r为毛细管半径；t为流出时间；h为流经毛细管液体的平均液柱高度；g为重力加速度；v为流经毛细管的液体体积；m为与仪器的几何形状有关的常数，r/l1时，可取m=1。,聚合物粘均分

22、子量的测定-粘度法,2.实验原理,当液体在重力作用下流经毛细管粘度计时遵守Poiseuille定律,毛细管法测定特性粘度：,48,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,2.实验原理,毛细管法测定特性粘度：,对某一给定的毛细管粘度计，则：,当B100s时，第二项可以忽略,通常测定在稀溶液中进行(c1g/100mL)，溶剂也溶液密度近似相等，则有,由纯溶剂的流出时间和溶液的流出时间，就可以求出溶液的粘数和相对粘数,49,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,3.实验仪器与试剂,乌氏黏度计；玻璃恒温水浴一套；秒表；移液管、吸耳球、容量瓶等；聚乙二醇；,50,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,4.实验步骤,恒温水浴

23、调至25洗涤容量瓶、移液管和乌氏黏度计。在小烧杯中称取8g左右聚乙二醇，定容于100ml容量瓶中。,测定溶剂流出时间t0：将粘度计垂直夹在恒温槽内，用移液管取10ml溶剂（蒸馏水）自A管加入，恒温数分钟，夹紧C管上连接的乳胶管，同时在连接B管的乳胶管上接洗耳球慢慢抽气，待液体升至G球的1/2左右即停止抽气，打开C管乳胶管上的夹子使毛细管内液体同D球分开，用停表测定液体在a、b两线间移动所需时间。重复测定三次，每次相差不超过0.20.3s，取平均值。,51,聚合物粘均分子量的测定-粘度法,测定溶液流出时间t：取出黏度计，倒出蒸馏水，用1ml丙酮淋洗两次，然后水吹干，用移液管吸取10ml高聚物溶液

24、，用上法测定流经时间。再用移液管加入1ml蒸馏水，用洗耳球从C管鼓气搅拌并将溶液慢慢地抽上流下数次使之混和均匀，再如上法测定流出时间。然后依次加入3ml、5ml蒸馏水，用同样方法逐一测定不同浓度聚乙二醇溶液的流经时间。,4.实验步骤,实验完毕后，将溶液倒入废液回收处，洗涤容量瓶、移液管和乌氏黏度计。,52,1.实验目的2.实验原理3.实验仪器与试剂4.实验步骤5.实验注意事项,纯液体饱和蒸气压的测定 静态法,53,1.实验目的,明确液体饱和蒸气压的定义及气液两相平衡的概念，了解纯液体饱和蒸气压与温度的关系即克劳修斯-克拉贝龙方程式。,用静态法测定不同温度下环己烷纯液体的饱和蒸气压，并用克劳修斯

25、-克拉贝龙关系式计算平均摩尔气化热和正常沸点。,液体饱和蒸气压的测定,54,2.实验原理,一定温度下，纯液体与其气相达到平横时的压力称为该液体在该温度下的饱和蒸气压。液体的蒸气压是随温度而改变的，当温度升高时有更多的高动能的分子能够由液面逸出，因而蒸气压增大。当蒸气压等于外压时，液体沸腾，此时的温度称为沸腾温度。当外压为101.325kPa时的沸腾温度称为正常沸点。,可用克劳修斯-克拉贝龙方程表示纯液体的饱和蒸气压与温度之间的关系：,液体饱和蒸气压的测定,55,纯液体的摩尔汽化热与温度有关，随温度升高而减小。但如温度变化范围不大，则视为常数，并可看成为该纯液体在此温度范围的平均摩尔汽化热。,积

26、分,以lnp对1/T作图，可得一直线，由其斜率可求出摩尔汽化热,液体饱和蒸气压的测定,56,本实验采用静态法：在某一温度下将被测液体放在一个密闭的体系中，直接测量其饱和蒸气压，此法一般适用于蒸气压比较大的液体。,液体饱和蒸气压的测定,57,3.实验步骤,液体饱和蒸气压的测定,向样品管中加入一定量的液体（a管加满，使b管和c管中的液体位于1/2到2/3之间）；冰槽中加满冰，盖好冰槽盖；连接好仪器各部件的管路。,检查仪器是否处于初始状态（缓冲瓶的放空阀处于打开状态；减压阀处于关闭状态；增压阀处于打开状态；加热、冷凝、降温和真空等四个开关位于关闭状态；搅拌器开关处于关闭状态，且调速旋钮位于“0”刻度

27、）。,58,3.实验步骤,液体饱和蒸气压的测定,打开仪器后背板的开关；压力表显示大气压压力，温控表显示室温温度，即仪器显示正常。调节温控表，使设定温度为60，打开加热开关；打开搅拌器开关，调节搅拌速度为550-600r/min；打开冷凝开关。,当温度到达60时，打开真空开关（真空泵开始工作，声音较大属正常情况）；关闭缓冲瓶的放空阀；缓慢打开减压阀；关闭增压阀。（增压阀与减压阀的开启动作幅度应尽可能减小，以免引起减压或增压过快造成待测液体的“沸腾”或“倒抽”）。,59,3.实验步骤,液体饱和蒸气压的测定,当气泡速度基本不变时，关闭减压阀，缓慢调节增压阀，观察液面高度，使b管和c管液面高度一致，记

28、录液面相平时压力数值，平行实验3次。,调节温控表设定温度为55（每间隔5测量一次）；打开降温开关；温度开始下降，缓慢调节减压阀，使b管和c管液面高度基本一致，防止液体倒抽至c管。（测量60以下温度时，为了不使液体减少，在测量过程中不使气泡从c管冒出到b管。）温度到达55时，关闭降温开关，恒温10-15min，重复步骤5和6操作，测量直至35。,60,3.实验步骤,液体饱和蒸气压的测定,实验完毕后，关闭减压阀，打开增压阀，使空气进入平衡管；打开缓冲瓶的放空阀，关闭真空、冷凝、加热以及搅拌器开关，使仪器保持至初始状态，关闭仪器总开关。,61,实验报告内容,1.实验目的,2.实验原理,3.实验仪器与试剂,4.实验步骤,5.实验数据记录与处理,6.实验总结,