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普化物理化学实验讲义11111
物理化学实验讲义
陈滢
江苏科技大学材料与冶金工程学院
2010年11月
目录
物理化学实验
实验一燃烧焓的测定………………………………………………………………2
实验二过氧化氢的催化分解……………………………………………………10
普通化学实验
实验一醋酸电离常数的测定
一、实验目的：
1、了解用pH法测定醋酸电离度或离解度和电离常数或离解常数的原理和方法；
2、加深对弱电解质电离或离解平衡的理解；
3、学习酸度或电导率仪的使用方法，进一步练习滴定管、移液管的基本操作。
二、实验原理
醋酸CH3COOH（常简写作HAc）是弱电解质，在水溶液中存在着下列电离平衡或离解平衡：
HAc（aq）←→H+（aq）+Ac-（aq）
其电离常数或离解常数为：
如果HAc的起始浓度为c起始（mol·L-1），其电离度或离解度（即平衡时溶液中已电离或离解的HAc分子数占原来的HAc总分子数的百分率）为
，由于
c起始
，则式（12-1）为：
某一弱电解质的电离常数或离解常数
仅与温度有关，而与该弱电解质溶液的浓度无关；其电离度或离解度a则随溶液浓度的降低而增大。
可以有多种方法用来测定弱电解质的a和
，本实验所采用的方法有下列两种。
（1）pH法测定HAc的
和
在一定温度下，用酸度计（又称为pH计）测定一系列已知浓度的HAc溶液的pH值，按pH=－lg[H+]换算成[H+]。
根据[H+]=c起始
，即可求得一系列对应的HAc的电离度或离解度a和
值应近似为一常数，取其平均值，即为该温度时HAc的电离常数或离解常数
。
（2）另一种方法简单易行，无需知道HAc溶液的浓度就能测定它的
。
根据缓冲溶液的计算公式：
若
，则上式可简化为：
因而如果将HAc溶液分为体积相等的两部分，其中一部分溶液用NaOH溶液滴定至终点（此时HAc即几乎完全转化为Ac-），再与另一部分溶液混合，并测定该混合溶液（即缓冲溶液）的pH值。
由对应的[H+]可得到HAc的电离常数或离解常数
。
若已知HAc溶液的浓度，则可得到该浓度时HAc的电离度或离解度
。
三、仪器和药品
（1）仪器和器皿
烧杯（100mL，2只）移液管（25mL，10mL，5mL，3支）吸气橡皮球洗瓶玻璃棒温度计（0～100℃，公用）
其它：
酸度计（附玻璃电极，甘汞电极）
2、药品
0.2000mol·L-1醋酸HAc标准溶液
四、实验内容
将已标定的HAc标准溶液装盛到烧杯中，用移液管分别取25.00mL、10.00mL5.00mL已标定过的HAc溶液于3个50毫升的容量瓶中，注意：
接近所要求的放出体积时，应逐滴滴放，以确保精确度和避免过量。
用蒸馏水释释至刻度，摇匀，制得C3、C2、C1不同浓度的HAc溶液。
配制的HAc溶液的浓度计算后填入下表。
按上述所配制的系列醋酸溶液由稀到浓的顺序，测定各HAc溶液的pH值，记录实验时的室温，算出测定所得不同浓度HAc溶液中的Ac的
值及
值，取所得
的平均值，即为HAc的电离常数或离解常数
实验值。
五、数据记录和处理
实验
编号
不同浓度HAc溶液的配制
C
mol·L-1
pH
[H+]
mol·L-1
V’HAc/mL
V’H2O/mL
I
5.00
45.00
II
10.00
40.00
III
25.00
25.00
IV
原溶液
0
0.2000
实验室温t=℃,醋酸的电离常数或离解常数
=
实验二碳钢中锰含量的测定
一、实验目的：
1、巩固分析天平的使用；
2、学习72—1型分光光度计的使用方法；
3、掌握数据处理方法；
4、用光电比色法测定钢中锰的含量。
二、实验原理：
1、分光光度计的基本原理：
基于物质对光的选择吸收而建立的分析方法称为吸光光度法，包括比色法，可见分光光度法及紫外分光光度法等。
有色溶液的颜色的深浅和被测物质的浓度存在着一定的关系。
应用这种关系的分析方法称为比色法。
通常看到的白光是由红，橙。
黄，绿，青，蓝，紫七种色光组成。
当白光通过某一有色溶液时，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过。
透射光（或反射光）刺激人眼而使人感觉色的存在。
人眼能感觉到的光称为可见光。
当白光通过滤光片后，就可以获得近似的单色光。
如通过红色滤光片时，白光中红色颜就容易通过。
而其它色光就大部分被吸收。
实验证明什么颜色的滤光片最容易通过该颜色的光，利用光学仪器，可以从白光中分出任一波长的单色光。
把通过滤光片（滤光片的选择是根据溶液的颜色来选择的，即各种不同的物质都有各自的吸收光谱.具体选择可按下表进行，得到的单色光照射到有色溶液中，一部分光被有色溶液吸收，一部分光透过光线减弱的程度通过实验得到下列关系：
K——比例常数（吸光系数）
L——有色溶液的厚度即比色皿厚度
C——有色溶液的浓度
——射光的强度
——通过溶液后光的强度
的含义：
如果光线通过溶液后完全不被吸收
则
，当光线被吸收得越多时，则
，
的数值就越大.因此，这一项是表示光线通过溶液时被吸收的程度，通常把它叫做“吸光度’并用符号“A”表示，即
由此关系式得知，入射光的波长，温度和比色皿一定，则吸光度E只与有色溶液的浓度C成正比.因此，测某一有色溶液时，主要是在一定条件下测某透射光的强度
（准确测量
是利用分光光度计），将透射光转变为电流。
越大产生的光电流也就越大，而有色溶液的吸收光度也就越小，被测物质的浓度也就越小。
所以用精密的检流计测定光电流的大小，就可以比较有色溶液中被测物质的浓度大小，这种分析方法称为光电比色法。
做光电比色分析时，先用一系列已知浓度的有色溶液测定其吸光度，作出吸光度与浓度的光系曲线（即标准曲线），然后再测定未知浓度的有色溶液的吸光度（条件与标准曲线的测绘条件完全一致），于是可从标准曲线上查出未知溶液的浓度。
如图所示，由所测得的吸光度便可在标准曲线上找到相对的A点。
A点所对应的B点就是未知溶液的浓度。
溶液的颜色
滤光片
颜色
波长（mol/Lmol/L）
青紫
蓝
蓝带绿
绿带蓝
绿
黄
橙红
红
绿带黄
黄
橙红
红
紫
蓝
蓝带绿
绿带蓝
540-560
570-600
600-630
630-760
400-420
430-440
450-480
490-530
2、光度计的基本部件
（1）光源在吸光度的测量中，要求光源发出所需波长范围内的连续光谱具有足够的光强度，并在一定时间内能保持稳定。
在可见光区测量时通常使用钨丝灯光源。
钨丝加热白炽时，将发出波长约为320nmol/L至2500nmol/L的连续光谱，发出光的强度在各波段的分布随灯丝温度变化而变化，温度增高时，总强度增大，且在可见光区的强度分布增大，但温度增高，会影响灯的寿命。
钨灯丝的温度决定于电源电压，电源电压的微小波动会引起钨灯强度的很大变化，因此，必须使用稳定电源才能使光源强度保持不变。
在近紫外区测量时，常采用氢灯或氘灯产生180——375nmol/L的连续光谱作为光源。
（2）单色器将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置，称为单色器。
单色器由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜等组成。
此外，常用的滤光片也起单色器的作用。
（3）吸收池亦称比色皿，用于盛吸收液，能透过所需光谱范围内的光线。
在可见光区测定，可用无色透明、能耐腐蚀的玻璃比色皿，大多数仪器都配有液层厚度为0.5、1.0、2、3、5cmol/L等的一套长方形或圆柱形比色皿。
同样厚度比色皿之间的透光率相差小于0.5%。
为了减小入射光的反射损失和造成光程差，应注意比色皿放置的位置，使其透光面垂直于光束方向。
指纹、油腻或皿壁上其它沉积物都会影响其透射特性，因此，应注意保持比色皿的光洁。
（3）检测系统测量吸光度时，并非直接测量透过吸收池的光强度，而是将光强度转换成电流进行测量，这种光电转换器件称为检测器。
因此，要求检测器对测定波长范围内的光有快速、灵敏的响应，最重要的是产生的光电流应与照射于检测器上的光强度成正比。
（1）光电池：
常用的硒光电池。
当光照射到光电池上时，半导体硒表面就有电子逸出，被收集于金属薄膜上（一般是金、银、铅等薄膜），因此，带负电，成为光电池的负极。
由于硒的半导体的性质，电子只能单向移动，使铁片成为正极，通过电阻很小的外电路连接起来，可产生10——100uA的光电流，能直接用检流计测量，电流的大小与照射光强度成正比。
光电池受强光照射，或长久连续使用时，会出现“疲劳”现象，即照射光强度不变，但产生的光电流会逐渐下降，这时应暂停使用，将它放置暗处使其恢复原有灵敏度，严重时应更换新的硒光电池。
（2）光电管
（3）检流计：
通常使用悬镜式光点反射检流计测量产生的光电流，其灵敏度一般为10-9A/格，在单速仪器中，检流计光点偏转刻度直接标为百分透光度%T和吸光度A，测定时一般直接读出A的数值。
检流计在使用中应防止振动和大电流通过。
停止使用时，必须将检流计开关指向零位，使其短路。
3.锰的发色化学反应的原理
应用比色法测定金属元素的含量，首先要把被测元素转变成有色化合物而后测定有色化合物的浓度大小就间接地测出了被测元素的含量。
将一定重量的钢样用HNO3溶解，再用（NH4）2S2O8（过二硫酸铵）作氧化剂使溶于酸中的锰氧化成具有特征颜色的高锰酸（HMnO4），为了加速反应的进行，常加入AgNO3作催化剂。
化学反应如下：
Fe+6HNO3=Fe（NO3）3+3NO2↑+3H2O
Mn+4HNO3=Mn（NO3）2+2NO2↑+2H2O
2Mn（NO3）2+5（NH4）2S2O8+8H2O=2HMnO4+5（NH4）2SO4+5H2SO4+4HNO3
钢样溶解后产生的Fe（NO3）3具有黄色会影响比色测定，可以用加入少量的H3PO4掩蔽。
Fe（NO3）3+2H3PO4=H3[Fe（PO4）2]+3HNO3
褐黄色无色
三、仪器、药品
1、仪器：
72—1型分光光度计，分析天平、电炉、容量瓶（50mol/L），量筒（5mL,20mL）、烧杯（100mL）
2、药品：
HNO3（1:
3）；（NH4）2S2O8（25%）
定锰混合液：
将浓H2SO420mL，小心倾入500mL水中，加入浓H2PO450mL，浓HNO330mL，AgNO32克以水稀释至1000mL。
碳钢样品（含Mn量在0.05～1%之间）
四、实验内容
1、称样：
在分析天平上准确称取待测钢样0.1克（±0.5mg）放人小烧杯中。
2、溶解：
加入HNO3（1:
3）10mL在电炉上小心加热使钢样全部溶解，驱除氮的氧化物。
分别加入5mL定锰混合酸和（NH4）2S2O310mL，继续加热至沸，煮沸一分钟后，将烧杯取下，冷却（可用水冷却）至室温，
3、稀释：
将全部溶液装入50mL容量瓶中，用少量蒸馏水洗涤烧杯2～3次，并将此液也全部装入容量瓶中，最后加蒸馏水至容量瓶的刻度线，摇匀。
4、比色：
取二只lcm的比色皿，一只用少量被测溶液冲洗几次，注入被测溶液，在另一个比色皿中注入适量的蒸馏水，用波长530nm，以水为参比，在72—1型分光度计上进行比色，记录吸光度。
五、数据处理
称取锰样品质量为0.1000g，测量其吸光度的值
根据锰标准样品中锰的含量（教师给出）计算锰的含量
序号
1
2
3
4
5
锰含量
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
吸光度
0.245
0.310
0.370
0.425
0.490
物理化学实验
实验三燃烧焓的测定
一．实验目的：
1.使用弹式量热计测定萘的燃烧焓。
2.了解量热计的原理和构造，掌握其使用方法。
3.掌握贝克曼温度计的操作规则和高压钢瓶安全使用常识。
二．实验原理：
在适当的条件下，许多有机物都能迅速而完全地进行氧化反应，这就为准确测定他们的燃烧热创造了有利条件。
在实验中用压力为2.5~3MPa的氧气作为氧化剂。
用氧弹量热计进行实验时，在量热计与环境没有热交换的情况下，实验时保持水桶中水量一定，可写出如下的热量平衡式：
Qv·W+Qvۥ·Wۥ+Cv·△T =0
（1）
式中：
Qv—每克试样的恒容燃烧热，J/g；W—试样的质量g；Qvۥ—每克点火丝的恒容燃烧热，J/g；Wۥۥ—点火丝实际燃烧的质量，g；Cv—仪器的恒容热容，J/K，△T —体系的温升，K。
注：
△T 通过雷诺校正求出。
标准燃烧热是指在标准状态下，1mol物质完全燃烧成同一温度的指定产物的焓变化，以△cHθm表示。
在氧弹量热计中可得物质得定容摩尔燃烧热△cUm。
如果将气体看成是理想的，且忽略压力对燃烧热的影响，则可由下式将定容燃烧热换算为标准摩尔燃烧热：
Qp,m=△cHθm==△cUm+p△V=△cUm+△nRT=Qv,m+△nRT
（2）
式中，△n—燃烧前后气体的物质的量的变化。
三、仪器和药品：
1.仪器：
氧弹量热计；贝克曼温度计；压片机；电子天平；1000mL容量瓶，氧气钢瓶。
2.药品：
苯甲酸。
四．实验步骤：
1．在台称上称约0.8g苯甲酸，在压片机上压片，除去片上粘附的粉末，在分析天平上准确称量。
2．用手拧开氧弹盖，将盖放在专用架上。
3．剪取10cm左右的点火丝，放在天平上称量后，将点火丝的两端在电极上缠紧，后将点火丝绕成螺旋形，并使之与悬在坩埚上方的药片紧密接触。
4．用万用表检查二电极是否通路，拧紧氧弹。
关好出口，拧下进气管上的螺钉，导气管的另一端与氧气钢瓶上的氧气减压阀连接，打开钢瓶阀门及减压阀缓缓进气，达1.1Mpa，稳定1~2分钟后，关上阀门及减压阀，拧下氧弹上的导气管螺钉，再次检查电极是否通路。
5．量热计水夹中装入自来水，用量筒量取3升自来水装入干净的铜水桶中，水温较夹套水温低0.5℃左右。
确定点火按钮的位置。
在两极上接上点火线，装上已调好的贝克曼温度计，盖好盖子，开动搅拌器。
6．待温度变化基本稳定后，开始读点火前最初阶段的温度，每隔一分钟读一次，可根据情况读4~10次，读数完毕，立即按电钮点火。
7．点火后每半分钟读一次数，直至读数稳定，稳定后每分钟读一次数，可视情况读4~10次后停止实验。
8．用同样方法在台秤上称取约0.6g萘进行压片，其余操作与前相同。
9．实验完毕，清洗仪器，关闭电源，整理实验台。
五．数据记录和处理：
1.苯甲酸燃烧后系统的温升△T=℃,W=g，W’=g。
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
0
9
15
1
10
16
2
10.5
17
3
11
18
4
11.5
19
5
12
20
6
12.5
21
7
13
22
8
14
23
2.假设另一种有机物萘燃烧后系统的温升△T=2℃,W=0.6g，W’=0.3g。
3.通过苯甲酸燃烧求Cv
4.萘的恒压燃烧热
Qv=
Qv,m=KJ/mol
Qp,m=Qv,m+△nRT =
Qp,m=KJ/mol
六、结果讨论与误差分析
查文献萘的△Hθm=
实验四过氧化氢的催化分解
一、实验目的：
1．用静态法测定H2O2分解反应的速度常数和半衰期。
2．熟悉一级反应特点，了解反应物浓度、温度、催化剂等因素对一级反应速度的影响。
3．掌握量气技术和体积校正，学会用图解计算法求出一级反应的速度常数。
二、实验原理：
1.凡反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应，称为一级反应，实验证明H2O2的分解反应如下：
2H2O2→2H2O+O2
（1）
2.若该反应属于一级反应，则其速度方程应是：
式中：
CH2O2—时间t时的H2O2浓度；k—反应速度常数。
3.化学反应速度取决于许多因素，如反应物浓度、搅拌速度、反应压力、温度、催化剂等等。
某些催化剂可以明显的加速H2O2的分解，它们有Pt、Ag、MnO2、FeCl3、碘化物。
本实验用I-（具体用KI）作为催化剂。
由于反应在均匀相（溶液）中进行，故称为均相催化反应。
设该反应为一级反应，且按下列式进行：
H2O2+I-→H2O+IO-（A）
H2O2+IO-→H2O+O2+I-（B）
则因
及
其总反应速度为上两式之和，即：
则kACI-=kBCIO-
PO2—氧分压即大气压减去实验温度下水的饱和蒸汽压。
T—即量气管的温度（K）
Vf亦可采用下面两种方法来求得：
（a）外推法：
以1/t为横坐标，对Vt作图，将直线外推至1/t=0，其截距即Vf。
（b）加热法：
在测定若干个Vt数据后，将H2O2加热至50—60℃约15分钟，可认为H2O2已基本分解完毕，待溶液冷却到实验温度时读出量气管读数即为Vf，同学们可自择二者之一，与滴定结果作对照。
6.当CH2O2=1/2C0H2O2时，t可用t1/2表示，称为反应半衰期，代入式（4）得
上式表示：
当温度一定时，一级反应的半衰期与反应速度常数成反比,与反应初浓度无关。
三、仪器和药品：
1.仪器：
H2O2分解速率测定装置；滴定管；秒表；移液管（5、10、20ml）；锥形瓶（150、250ml）。
2.药品：
H2O2溶液（质量分数为2%）；KI；H2SO4溶液（3.0mol/L）KMnO4标准溶液（0.05mol/L）。
四、实验步骤：
1.在图2-1所示装置中，将水准球内加水，使水位与量气管满刻度处齐平。
（打开三通活塞，使大气与量气管相通）。
与此同时调节恒温水浴温度。
2.调节恒温槽温度：
在1000ml烧杯中加入250ml水，水温控制在25℃左右并使在实验中能够基本恒定。
烧杯放在搅拌器座上。
夹好测温用温度计。
3.用移液管移取己恒温至25℃的10ml水放入洁净干燥的锥形瓶中，再移取10ml已恒温到同样温度的H2O2注入到锥形瓶中。
将已准确称量好的KI试剂0.160克小心放在液面上勿使KI与液面接触，最后塞好橡皮塞，进行试漏。
4.把锥形瓶小心的放入恒温槽，将三通活塞4旋与大气、量气管都相通，举高水准球使量气管充满水，然后再旋活塞4切断与大气的通路，但仍使系统内部联通，将水准瓶放到最低位置，若量气管中水位在2分钟内保持不变，说明系统不漏气，可以进行分解反应。
5.旋动三通活塞与大气相通，使水面恰在量气管“0”刻度处，然后切断大气通路，打开搅拌器开关，同时记下时间，此时KI容器倾倒，KI溶于H2O2溶液中，分解反应开始，当O2开始释放出后应随时保持水准瓶和量气管液面在一水平线上。
定时（每2.0分钟）读出量气管中气体体积（或定体积地读出反应时间，每5mL读一次）。
直到量气管中O2体积超过50mL。
6.选用加热求Vf时，接通电源使水浴升温，温度可达到50℃，一刻钟后从水浴中移出反应瓶，冷却至室温后读出量气管读数V和T（k），记下当时的大气压力，计算出Vf。
7.最后标定所用H2O2的原始浓度：
用移液管取2mlH2O2放在锥形瓶中，加入10ml3mol/LH2SO4酸化后用已知浓度的KMnO4标准溶液滴定至淡红色为止。
8.根据公式7计算出H2O2的浓度。
图2-1H2O2分解速率测定装置（在注入溶液前先将搅拌棒放入锥形瓶中）。
1-电磁搅拌器；2-锥形瓶；3-橡皮塞；4-三通活塞；5-量气管；6-水准瓶
五、数据记录和处理
1.数据记录：
时间/min
O2气体体积
Vt/ml
024
6
8
10
……
32
2．计算H2O2的初始浓度及Vf，列出t、Vt、（Vf-Vt）及ln（Vf-Vt）表。
标定2mlH2O2用去0.05mol/L的KMnO4标准溶液ml。
根据公式7=
T/min
Vt/ml
Vf-Vt/ml
ln（Vf-Vt）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
……
32
3．以ln（Vf-Vt）对t作图，求出曲线斜率及k。
计算反应的半衰期t1/2。
附录：
标准溶液的配制与标定
1.0.05mol/LKMnO4的配制：
称取14gKMnO4（分析纯）于烧杯中，分次溶解（可加热）
稀释至2000ml，放在暗处，2—3天后标定。
2.3mol/LH2SO4的配制：
先量取833mlH2O于瓶中，慢慢倒入16.7mlH2SO4（浓）。
3.2%H2O2：
将60ml34%H2O2稀释至1000ml。
4.KMnO4标准溶液的标定：
称取0.12—0.19g草酸（准确至小数点后四位）于250ml的锥形瓶中，加蒸馏水33.3ml，加3mol/LH2SO46.7ml，加热至80—90℃，取下，加3mol/LH2SO4溶液2滴，趁热用KMnO4滴至粉红终点时溶液温度应在60℃以上（颜色在一分钟内不消失）。
G（g）:
称取草酸的质量；
V（ml）：
消耗KMnO4溶液的体积。
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