物理化学实验讲义.docx
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物理化学实验讲义
材料物理化学
实验讲义
重庆科技学院冶金学院
功能材料专业
2015.7
目录
实验一液体饱和蒸气压的测定…………………………………….2
实验二二元固液相图的绘制……………………………………….6
实验三液相平衡常数的测定……………………………………….12
实验四摩尔电导率的测定…………………………………………..15
实验五电池电动势的测定…………………………………………..19
实验六一级反应过氧化氢分解……………………………………..25
实验七乙酸乙酯皂化反应速度常数的测定………………………28
实验八最大气泡法测定液体表面张力……………………………33
附录…………………………………………………………………..56
实验一液体饱和蒸气压的测定
一预习要求
1.明确蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义；了解动态法测定蒸气压的基本原理。
2.了解真空泵、气压计的使用及注意事项。
3.了解如何检漏及实验操作时抽气、放气的控制。
4．了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系、克劳修斯-克拉贝龙（Clausius-Clapeyron）方程式的意义。
二实验目的
1．掌握静态法测定液体饱和蒸气压的原理及操作方法。
学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点。
2．了解真空泵、恒温槽及气压计的使用及注意事项。
三实验原理
在一定温度下，纯液体与其气相达平衡时蒸汽的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称为蒸气压。
蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化热。
液体的蒸气压随温度而变化，温度升高时，蒸气压增大；温度降低时，蒸气压降低，这主要与分子的动能有关。
当蒸气压等于外界压力时，液体便沸腾，此时的温度称为沸点，外压不同时，液体沸点将相应改变，当外压为1atm（101.325kPa）时，液体的沸点称为该液体的正常沸点。
液体的饱和蒸气压与温度的关系用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示：
（3-1）
：
摩尔汽化热（J·mol-1） R：
气体常数（8.314J·mol-1·K-1）
若温度改变的区间不大，
可视为为常数（实际上
与温度有关）。
积分上式得：
（3-2）
或
（3-3）
（3-3）式表明
与
有线性关系。
作图可得一直线，斜率为
。
因此可得实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热
。
（3-4）
当外压为101.325kPa（760mmHg）时，液体的蒸汽压与外压相等时的温度称为液体的正常沸点。
在图上，也可以求出液体的正常沸点。
液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种：
1.静态法：
将待测液体置于一个封闭体系中，在不同温度下，直接测定饱和蒸气压或在不同外压下测定液体相应的沸点。
静态法适用于蒸气压较大的液体.静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压，有升温法和降温法二种。
图3-1 液体饱和蒸气压测定装置图
2．动态法：
在不同外部压力下测定液体的沸点。
3．饱和气流法：
在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度，使之能被液体的蒸汽所饱和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。
本次实验采用升温法测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压，所用仪器是纯液体饱和蒸气压测定装置，如图3-1所示：
四仪器和药品
液体饱和蒸汽测定仪1套；真空泵1台；玻璃恒温槽一台；DP-A（YW）精密数字气压计、温度计。
蒸馏水。
五实验步骤
1．装置仪器
橡胶管与管路接口装置、玻璃仪器、数字压力计等相互连接时，接口与橡胶管一定要插牢，以不漏气为原则，保证实验系统的气密性。
无冷阱用橡胶管将冷阱两端短路连接。
将待测液体装入平衡管，A球约2/3体积，B和C球各1/2体积，然后按图装妥各部分。
2．系统气密性检查
（1）缓冲储气罐的气密性检查：
①用橡胶管将进气阀与压力泵、装置1接口与数字压力表分别连接，装置2接口用堵头封闭。
②整体气密性检查：
a．将进气阀、平衡阀2打开，平衡阀1关闭（三阀均为顺时针关闭，逆时针开启）。
启动压力泵，压力罐中的压力值=数字压力表的显示值-当前大气压力。
b．停止压力泵工作，关闭进气阀，并检查平衡阀2是否开启，平衡阀1是否完全关闭。
观察数字压力表，若显示数字下降值在标准范围内（小于0.01Kpa/秒）,说明整体气密性良好。
否则需查找并清除漏气原因，直至合格。
c．微调部分的气密性检查：
关闭平衡阀2，用平衡阀1调整微调部分的压力，使之低于压力罐中压力的，观察数字压力表，其显示数字变化值在标准范围内（小于±0.2Kpa/分），说明气密性良好。
若显示压力值上升超过标准，说明平衡阀2泄漏；若显示压力值下降超过标准，说明平衡阀1泄漏。
（2）精密数字压力计的气密性检查
a．预压及气密性检查：
继续将缓冲储气罐装置2接口用堵头封闭，用平衡阀2缓慢加压至满量程，观察数字压力表显示值变化情况，若1分钟内显示值稳定，说明传感器及压力计本身无泄漏。
确认无泄漏后，泄压至零，并在全量程反复预压2~3次，方可正式测试。
b．采零：
泄压至零，使压力传感器与大气相通，按一下采零键，以消除仪表系统的零点漂移，此时LED显示“0000”。
注意：
尽管仪表作了精细的零点补偿，但因传感器本身固有的漂移（如时漂）是无法处理的，因此，每次测试前都必须进行采零操作，以保证所测压力值的准确度。
3．饱和蒸气压的测定
仪表采零后连接实验系统，即将缓冲储气罐装置2接口与实验系统连接，此时实验系统的压力等于大气压的值减去仪表显示值。
当空气被排除干净，且体系温度恒定后，旋转平衡阀1缓缓放入空气，直至B、C管中液面平齐，关闭平衡阀1，记录温度与压力。
然后，升高恒温槽温度3℃~5℃，当待测液体再次沸腾，体系温度恒定后，旋转平衡阀1放入空气使B、C管液面再次平齐，记录温度和压力。
依次测定，共测6个值。
关机：
先将实验系统泄压，再关掉电源开关（OFF）。
六数据记录及处理
1.自行设计实验数据记录表格，正确记录全套原始数据并填入演算结果。
2.以测得的蒸汽压对温度T作图。
3.由P－T曲线均匀读取10个点，列出相应的数据表，然后给出
对
的直线图，由直线斜率计算出被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热，并与文献值比较。
4.由曲线求得待测液体的正常沸点，并与文献值比较。
七实验注意事项
1．减压系统不能漏气，否则抽气时达不到本实验要求的真空度。
2．抽气速度要合适，必须防止平衡管内液体沸腾过剧，致使B管内液体快速蒸发。
3．实验过程中，必须充分排除净AB弯管空间中全部空气，使B管液面上空只含液体的蒸气分子。
AB管必须放置于恒温水浴中的水面以下，否则其温度与水浴温度不同。
4．测定中，打开进空气活塞时，切不可太快，以免空气倒灌入AB弯管的空间中。
如果发生倒灌，则必须重新排除空气。
5.使用真空泵时，特别是关真空泵时，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保证真空泵的出口连通大气时才能关真空泵。
就本实验而言，要保证大真空瓶上的三通活塞处于“╩”状态时才能切断真空泵的电源。
6．实验中调节平衡阀1、平衡阀2时，数字压力计显示的压力值有时有跳动现象属正常，待压力值稳定后再工作。
7．平衡阀1和平衡阀2是关系实验成败的主要因素之一，因此不能有泄漏现象。
在实验时，平衡阀1既是放气开关，也是压力微调开关，因此实验时一定要仔细、缓慢地调节。
同时，平衡阀2一定要关紧，以免因该阀泄漏而影响实验的顺利进行和准确性。
八思考题：
1.测量中为什么要将A-B管中的空气干净？
如何判断空气已经赶净？
2．标准沸点与沸腾温度有什么不同？
3．测量中为什么系统不能漏气？
实验二二元固液相图的绘制
一预习要求
1．了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状有何不同，其相变点的温度应如何确定。
2．掌握热电偶测量温度的原理及校正方法。
二实验目的
1．学会用热分析法测绘Bi－Sn二组分金属相图。
2．掌握热分析法的测量技术。
3．熟悉数字控温仪及可控升降温电炉的使用。
三实验原理
相图是用以研究体系的状态随浓度、温度、压力等变量的改变而发生变化的图形。
可以表示出在指定条件下体系存在的相数和各相的组成。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系常以温度－组成图来描述.。
热分析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。
通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如半分钟或一分钟）记录一次温度，以温度（T）为纵坐标，时间（t）为横坐标，绘出步冷曲线的T－t图。
当体系均匀冷却时如
图5-1步冷曲线和相图
果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化将是均匀的。
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，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢， 步冷曲线就出现转折。
当熔液继续冷却到某一点时，如果此时熔液的组成已达到最低共熔混合物的组成，将有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，因此步冷曲线出现平台。
当熔液完全凝固后温度才迅速下降。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系来说可以根据它的步冷曲线，判断有固体析出时的温度和最低共熔点的温度。
如果作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出各转折点即能画出二组分体系最简单的相图（温度一组成图）。
不同组成熔液的步冷曲线与对应相图的关系可从图5-1中看出。
用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态。
因此，体系的冷却速度必须足够慢，才能得到较好的结果。
体系温度的测量，根据体系温度变化范围来选择适当的测量工具。
对于金属相图的步冷曲线，大都采用热电偶来进行测温。
用热电偶测温有许多优点：
灵敏度高、重现性好、量程宽。
而且由于它是将非电量转换为电量，故将它与电子电势差计配合使用可自动记录温度一时间曲线。
但在进行配合时要注意热电偶热电势的数值及其变化的范围，是否与电子电势差计的量程相适应。
通常电子电势差计的量程为0－10mV，而热电偶的热电势值和变化的范围均超过0—10mV。
因此一般可采用对讯号进行衰减的方法来匹配。
但这样做的结果将降低测量的精度。
本实验用数字控温仪、热温传感器测量温度控制温度，计算机采集数据。
四仪器和试剂
SWKY-Ⅰ数字控温仪1台；
KWL-09可控升降温电炉1套；
不锈钢试管5支；
铋（C.P）；锡（C.P）；石墨粉；
五实验步骤
1.将试样按下列重量百分比配好,不锈钢试管,并将不锈钢试管编号:
1号
2号
3号
4号
5号
100%Bi
30%Bi
58%Bi
80%Bi
100%Sn
2．取一试样,放入不锈钢试管中，然后在试样上面覆盖一层石墨粉（防止金属被氧化），再将热电偶插入试样中心,加热熔化,（一般在金属全部熔化后在继续升温40℃左右）,并将熔融金属搅拌均匀。
3．SWKY-Ⅰ数字控温仪和KWL-09可控升降温电炉使用方法和操作步骤
（1）将控温仪与KWL-09可控升降温电炉进行连接（连接线见SWKY-Ⅰ数字控温仪面版，将传感器航空插头（Pt100）、加热器对接线分别与后面板的“传感器插座”、“加热器电源”对应连接）。
将“冷风量调节”逆时针旋转到底（最小）；“加热量调节”逆时针旋转到底。
（2）将装有试样的试管插入控温区电炉“7”，温度传感器Ⅰ插入控温传感器插孔“6”，温度传感器Ⅱ插入测试区待测物中（一般插入深度≥50mm）。
（见KWL-09可控升降温电炉面版）
（3）SWKY-Ⅰ数字控温仪的操作
1将～220V电源线接入后面板上的电源插座。
2打开电源开关。
显示初始状态，如：
。
其中，温度显示Ⅰ为320.0℃（设定温度），温度显示Ⅱ为实时温度，“置数”指示灯亮。
设置控制温度：
按“工作／置数”键，置数灯亮。
依次按“X100”、“X10”、“X1”、“X0.1”设置“温度显示Ⅰ”的百位、拾位、个位及小数点位的数字，每按动一次，显示数码按0～9依次递增，直至调整到所需“设定温度”的数值。
设置完毕，再按一下“工作／置数”按键，转换到工作状态。
温度显示Ⅰ从设置温度转换为控制温度当前值，工作指示灯亮。
若需隔一段时间观测记录，可按“工作／置数”键，置数灯亮，按定时增、减键设置所需间隔的定时时间，有效设置范围：
10S～99S。
时间递减至零时，蜂鸣器鸣响，鸣响时间为2S。
若无需定时提醒功能，将时间设置至00S～09S。
时间设置完毕，再按一下“工作／置数”按钮，仪表自动转换到工作状态，工作指示灯亮。
注意：
置数工作状态时，仪器不对加热器进行控制。
（4）当温度显示I达到所设定的温度并稳定一段时间，试管内试剂完全熔化后，用钳子取出试管放入测试区电炉炉膛内并把温度传感器Ⅱ放入试管内。
打开电炉电源开关，调节“加热量调节”进行加热直至所需温度。
（5）当测试电炉炉膛温度加热到所需温度后，耐心调节“加热量调节”旋钮和“冷风量调节”旋钮，使之匀速降温。
（降温速率一般为5℃～8℃/min为佳），记录实验数据。
试验做完，即可用钳子从测试区炉膛内取出试管，放入实验试管摆放区进行冷却。
（6）当再把控温区电炉内的试管取出放入测试区电炉炉膛内后（当加热到所需温度时，由于PID调节，温度会有稍许过冲），立即在控温区电炉内放入另一根试管，如此循环往复，直至多组试验做完。
（7）将SWKY-Ⅰ数字控温仪处于置数状态，逆时针调节电炉“加热器调节”到底，表头指示这零，顺时针调节“冷风量调节”到底，进行降温，待温度显示Ⅰ、温度显示Ⅱ显示都接近室温时，关闭电源。
六数据记录及处理
组成
凝固点（℃）
转折温度（℃）
低共熔温度（℃）
100%Sn
30%Bi
58%Bi
80%Bi
100%Bi
1．利用所得步冷曲线，绘制Bi─Sn二组分体系的相图，并注出相图中各区域的相平衡。
2.从相图上找出Bi─Sn系统的低共熔温度和低共熔点混合物的组成。
七实验注意事项
1．用电炉加热样品时，注意温度要适当，温度过高样品易氧化变质；温度过低或加热时间不够则样品没有全部熔化，步冷曲线转折点测不出。
2．在测定一样品时，可将另一待测样品放入加热炉内预热，以便节约时间，合金有两个转折点，必须待第二个转折点测完后方可停止实验，否则须重新测定。
3．电炉长期搁置重新起用时，应将灰尘打扫干净后才能通电，并检查由于长期搁置是否有漏电现象。
4．在进行金属相图试验的降温时，要注意降温速度的保持（一般为5℃～8℃/分钟），以便找到曲线的拐点。
5、传感器和仪表必须配套使用（传感器探头编号和仪表的出厂编号应一致），以保证温度测量的准确度。
否则，温度检测准确度会有所下降。
6、传感器的航空插头插入插座时，必须对准槽口才能插入；卸下时，将锁紧箍后拉，方可卸下。
7．操作人员离开时，必须将电炉和控温仪断电。
八思考题
1．何谓热分析法？
用热分析法测绘相图时应该注意些什么？
2．用相律分析在各条步冷曲线出现平台的原因。
3．为什么在不同组分熔融液的步冷曲线上最低共熔点的水平线段长度不同？
4．Bi－Sn相图是什么类型的相图？
附录
SWKY-Ⅰ数字控温仪
前面板外观示意图
1．电源开关。
2．定时设置增、减键按钮――从0～99S之间按增、减键按钮设置。
3．工作／置数转换按钮――切换加热、设定温度的状态。
4．5．6．7设定温度调节按钮
――分别设定百位、十位、个位及小数点位的温度，从0～9依次递增设置。
8．工作状态指示灯
――灯亮，表明仪器对加热系统进行控制的工作状态。
9．置数状态指示灯――灯亮，表明系统处于置数状态。
10．温度显示Ⅱ――显示被测物温度显示值。
11．温度显示Ⅰ（即控制/置数显示窗口）
――显示被控物的实际温度/设定温度。
12、定时显示窗口――显示所设定时间间隔。
（二）后面板示意图
1．传感器插座――将传感器航空插头插入此插座。
2．电源线插座――接～220V电源。
3．加热器电源插座――将加热器用对接线对准槽口连接在此处。
4．6．温度调节Ⅰ、Ⅱ
――生产厂家进行仪表校验时用，用户切勿调节此处，以免影响仪表的准确度。
5．RS－232C串行口――计算机接口，根据需要与计算机连接。
KWL-09可控升降温电炉
（一）前面板示意图
1．电源开关。
2．加热量调节旋钮：
调节加热器的工作电压。
3．电压表：
显示加热器电压值。
4．电压表：
显示冷风机的电压值。
5．实验试管摆放区。
6．传感器插孔：
控温传感器插孔。
7．控温区电炉：
加热熔解被测物质。
8．测试区电炉：
对被测介质的温度测量、调节。
9．冷风量调节：
调节冷风机的工作电压。
（二）后面板示意图
1．电源插座：
与市电～220V相接。
2．外加热电源：
与控温仪相连接。
3．保险丝:
10A。
4．冷风机排风口。
时取样要迅速。
实验三液相平衡常数的测定
一预习要求
1．学习光度法测量液相平衡常数的方法。
2．熟悉分光光度计的使用及原理。
二实验目的
1．利用分光光度计测定低浓度下络离子与硫氰酸根离子生成硫氰合铁络离子液相反应的平衡常数，学习一种液相反应平衡常数的测定方法。
2．通过实验了解热力学平衡的数值不因反应物起始浓度不同而发生变化。
三实验原理
铁离子与硫氰酸根离子在溶液中可生成一系列的络离子，并共存于同一的平衡体系中，但当铁离子与硫氰酸根离子的浓度很低时，只有如下的反应
Fe3++SCN-=FeSCN2+
即反应被控制在仅仅生成最简单的FeSCN2+络离子，其平衡常数表示为：
Kc=[FeSCN2+]/[Fe3+][SCN-]
通过实验可以看出，在同一温度下，改变铁离子（或硫氰离子）浓度时，溶液的颜色改变，平衡发生移动，但平衡常数Kc保持不变。
另外朗伯－比尔（Lambert-Beer）定律可知溶液的浓度和光密度成正比：
㏒（I0/I）=εbC
吸光度的定义为：
A=lg（I0/I）
则A=εbC
式中：
A——单色光波长为λ时的吸光度；
I0——入射光强度（介质前）；
I——透射光强度（出介质后）；
I/I0——透光度（用百分比表示即为透射率）；
ε——吸光系数：
C——溶液浓度；
b——溶液层浓度。
当入射单色光的波长、溶剂、溶质以及溶液层厚度不变时，则吸光度与溶液的浓度成正比。
因此，可借助于分光光度计测定其吸光度，从而计算出平衡时硫氰合铁络离子的浓度以及铁离子和硫氰酸根离子的浓度，进而求出该反映的平衡常数KC。
四仪器和药品
722型分光光度计；烧杯（50mL）6个；移液管（5mL、10mL、15mL）各3支；4.0×10-4mol.dm-3的NH4SCN溶液；0.10mol.dm-3,4.0×10-2mol.dm-3的FeCl3溶液。
五实验步骤
1．不同浓度试样的配置
取四个50mL的烧杯，编成1、2、3、4号。
用移液管向个编号的烧杯中个注入5mL4.0×10-4mol.dm-3的NH4SCN溶液。
取四种浓度各不相同的FeCl3溶液各5mL分别注入各编号的烧杯中。
使体系中SCN-离子的初始浓度与Fe3+离子的初始浓度达到下表中所指示的数值。
烧杯号
1
2
3
4
SCN-离子浓度（mol/dm-3）
2.0×10-4
2.0×10-4
2.0×10-4
2.0×10-4
Fe3+离子浓度（mol/dm-3）
5.0×10-2
2.0×10-2
8.0×10-3
3.2×10-3
为此，可以按以下步骤配制不同浓度的Fe3+离子溶液：
在1号烧杯直接注入5mL0.1mol.dm-3FeCl3溶液。
在2号烧杯中直接注入5mL4.0×10-2mol.dm-3FeCl3溶液。
取50mL烧杯一个，注入10mL4.0×10-2mol.dm-3FeCl3溶液；然后加纯水15mL稀释，此稀释液Fe3+离子浓度为1.6×10-2mol.dm-3。
在3号烧杯中加入5mL1.6×10-2mol.dm-3FeCl3溶液。
另取Fe3+离子浓度为1.6×10-2mol.dm-3稀释液10mL加到另一个50mL的烧杯中，再加入纯水15mL，配制成浓度为6.4×10-3mol.dm-3的Fe3+离子溶液。
在4号烧杯中加入5mL6.4×10-3mol.dm-3FeCl3溶液。
2．分光光度计的调节与溶液吸光度的测定
将722型分光光度计调整好，（见附录），并把波长调到475mm处，然后分别测定上述四个编号烧杯中各溶液的吸光度。
六数据记录和处理
将测得的数据填于下表，并计算平衡常数Kc值。
室温：
0C大气压:
Pa
烧杯编号
[Fe3+]始
[SCN-]始
吸光度
吸光度比
FeSCN平2+
Fe平3+
SCN平-
Kc
1
2
3
4
表中数据按下列方法计算：
（1）1号烧杯Fe3+离子与SCN-1离子反应达平衡时，Fe3+离子大大过量，可认为SCN-全部消耗，此平衡时硫氰合铁离子浓度即为反应开始时硫氰酸根离子的浓度。
即有：
[FeSCN2+]平
（1）=[SCN-]始
（2）以1号溶液的吸光度为基准，则对2、3、4号溶液的吸光度可求出各吸光度比（Ax/A1其中x为2，3，4号），而2、3、4号各溶液中[FeSCN2+]平，[Fe3+]平，[SCN-]平可分别按下式求得；
[FeSCN2+]平=吸光度比×[FeSCN2+]平
（1）
=吸光度比×[SCN-]始
[Fe3+]平=[Fe3+]始-[FeSCN2+]平
[SCN-]平=[SCN-]始-[FeSCN2+]平
代入
可分别求2，3，4号的KC。
七思考题
1.如Fe3+,SCN-1离子浓度较大时则不能按公式
来计算Kc值,为什么?
2．为什么可用[FeSCN2+]平
（1）=吸光度比×[SCN-]始来计算[FeSCN2+]平呢?
实验四摩尔电导率的测定
一预习要求
1．了解溶液的电导，电导率和摩尔电导率的概念。
2．掌握溶液电导测定中各量之间的关系，学会电导（率）仪的使用方法。
二实验目的
1．了解溶液电导、摩尔电导率的基本概念。
2．学会电导（率）仪的使用方法。
3．测量电解质溶液的摩尔电导率，并计算弱电解质溶液的电离常数。
三实验原理
AB型弱电解质在溶液中电离达到平衡时，电离平衡常数KC与原始浓度C和电离度α有以下关系：
（8-1）
在一定温度下Ka是常数，因此可以通过测定AB型弱电解质在不同浓度时的α代入
（1）式求出Ka。
醋酸溶液的电离度可用电导法来测定，图8-1是用来测定溶液电导的电导池。
图8-1 电导池
将电解质溶液注入电导池内，溶液电导（G）的大小与两电极之间的距离l成反比，与电极的面积A成正比：
（8-2）
式中，l/A为电导池常数，以Kcell表示
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