物理化学实验指导书.docx

物理化学实验指导书.docx

《物理化学实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理化学实验指导书.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

物理化学实验指导书

物理化学实验

指导书

石家庄铁道大学四方学院

实验一二组分金属相图

实验目的

1．用热分析法（步冷曲线法）测绘Bi—Sn二组分金属相图。

2．了解固液相图的特点，进一步学习和巩固相律等有关知识。

3．掌握热电偶测量温度的基本原理。

实验原理

较为简单的二组分金属相图主要有三种；一种是液相完全互溶，凝固后，固相也能完全互溶成固熔体的系统，最典型的为Cu—Ni系统；另一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统，最典型的是Bi—Cd系统；还有一种是液相完全互溶，而固相是部分互溶的系统，如Pb—Sn系统，本实验研究的Bi—Sn系统就是这一种。

在低共熔温度下，Bi在固相Sn中最大溶解度为21％（质量百分数）。

热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的基本方法之一。

它是利用金属及合金在加热和冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，来得到金属或合金中相转变温度的方法。

通常的做法是先将金属或合金全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，画出冷却温度随时间变化的步冷曲线（见图1）。

图1步冷曲线

图2步冷曲线与相图

当熔融的系统均匀冷却时，如果系统不发生相变，则系统的冷却温度随时间的变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）；如果在冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统的冷却速率减慢，步冷曲线上出现转折（如图中b点）。

当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。

在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变．因此步冷曲线上出现水平线段（如图中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中de线段）。

由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可以根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。

根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度—组成图）。

不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图6—2所示。

用热分析法（步冷曲线法）绘制相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。

热电偶测温原理和使用方法见本书第二部分仪器4。

1.调压器2.电子温度计3.热电偶4.细玻璃管5.试管6.试样7.电炉

图3装置图

仪器与药品

计算机及接口；热电偶一支；电炉三个；调压器三个；样品玻璃试管五个；样品试管架一个；夹子；测水沸点仪一套（共用）；

纯锡；纯铋；松香；液体石蜡；

实验操作步骤

1打开电源，检查仪器装置与药品。

2测量样品的步冷曲线。

打开计算机，选择数据采集，双击进入。

将热电偶的热端插入装入少量液体石蜡的细玻璃管中，接通电源，逐渐加大电压，待样品熔化后，（橡胶塞可以活动）用装热电偶的细玻璃管搅拌已熔融的金属，同时观察细玻璃管的底部是否在距样品试管底部1cm处，尽可能让细玻璃管的端部处于熔融金属的中心。

单击开始。

纯锡和纯铋最好在加热的原炉中将电压推到零缓慢冷却，30%、57%、80%的样品可以防在冷炉中自然冷却。

待样品完全凝固后，单击完成，并命名存盘。

3测量水的沸点。

将热电偶的热端插入沸点仪的气液喷口处，测水的沸点，作为标定热电偶温度值的一个定点。

注意：

调压器的电压不能超过40伏。

计算机数据处理

选择并双击物理化学实验，选择并双击合金相图，点击打开，选择已测样品文件并打开，交替移动光标1和2到适当的位置，点击线性拟合1，再交替移动光标1和2到适当的位置，点击线性拟合2，如果线性拟合交点可以确定，点击计算交点；如果线性拟合交点不理想，点击刷新，移动光标重新拟合。

确认样品后，点击提交，确认的样品和交点数值就会在下表中显示出来。

待测定的样品全部输入完毕后，点击计算温度，样品和温度值就会显示出来。

命名存盘。

五、关键操作及注意事项

1．为使步冷曲线上有明显的相变点，必须将热电偶结点放在熔融体的中间偏下处，同时将熔体搅匀。

冷却时，将纯金属样品管放在加热的原炉中，把电压推到零缓慢冷却。

2．熔化样品时，升温电压不能一下加得太快，要缓慢升温。

一般金属熔化后，继续加热两分钟即可停止加热。

六、数据处理

1．用水的沸点、纯锡和纯铋的熔点作标准温度，以冷却曲线上转折点的读数作横坐标，标准温度作纵坐标，作出热电偶的工作曲线。

已知的标准温度如下：

物质水SnBi

沸点或熔点t/℃100232271

2，从工作曲线上查出30％、57％、80％的铋合金的熔点温度，以横坐标表示质量分数．纵坐标表示温度，绘出Bi—Sn二组分合金相图。

固熔体区相界线的坐标点数据如下：

温度t/℃

210

185

162

所测低共熔温度

120

100

80

60

40

20

WB×100

5

10

15

21

15.8

11.6

8.2

5.3

2.7

1.0

3．在作出的相图上，用相律分析低共熔混合物、熔点曲线及各区域内的相数和自由度数。

七、思考与讨论

1．为什么冷却曲线上会出现转折点？

纯金属，低共熔金属及合金的转折点各有几个?

曲线形状为何不同？

2．热电偶测量温度的原理是什么?

为什么要保持冷端温度恒定？

实验二电动势的测定

一、实验目的

1．掌握电位差计的测量原理和测定电池电动势的方法。

2．了解可逆电池、可逆电极、盐桥等概念。

3．测定岭Ag+/Ag、Zn／Zn2+|电极电势和Ag浓差电池电动势。

二、实验原理

1．对消法测电动势的原理‘

电池电动势不能直接用伏特计来测量，因为电池与伏特计联接后有电流通过，就会在电极上发生电极极化，结果使电极偏离平衡状态。

另外，电池本身有内阻，所以伏特计所量得的仅是不可逆电池的端电压。

测量电池电动势只能在无电流通过电池的情况下进行，因此需用对消法（又叫补偿法）来测定电动势。

对消法的原理是在待测电池上并联一个大小相等、方向相反的外加电势差，这样待测电池中没有电流通过，外加电势差的大小即等于待测电池的电动势。

对消法测电动势常用的仪器为电位差计，其简单原理如图15—1所示。

电位差计由三个回路组成：

工作电流回路、标准回路和测量回路。

（1）工作电流回路

朋为均匀沿线电阻，通过可变电阻及与上作电源万构成回路，其作用是调节可变电阻R，使流过回路的电流成为某一定值。

这样AB上有一定的电位降低产生，工作电源E可用蓄电池或稳压电源，其输出电压必须大于待测电池的电动势。

（2）标准回路

S为电动势精确已知的标准电池，C是可在AB上移动的接触点，K是双向开关，KC间有一灵敏度很高的检流计G，当K扳向S一方时，AC1GS回路的作用时校准工作回路的以确定AB上的电位降。

如标准电池S的电动势为1.01865伏，则先将C点移动到AB上标记1.01865伏的C1处，迅速调节R直至G中无电流通过。

这时S的电动势与AC1之间的电位降与AC1间的电位降大小相等、方向相反而对消。

（3）测量回路

当双向开关K换向X的一方时，用AC2GX回路根据校正好的AB上的电位降来测量未知电池的电动势。

在保证校准工作电流不变的情况下，在AB上迅速移动到C2点，使G中无电流通过，这时X的电动势与AC1间的电位的电位降大小相等，方向相反而对消，于是C2点所标记的电位降为X的电动势。

由于使用过程中电流的电压会有所变化，要求每次测量前均重新校准工作回路的电流。

2．电极电势的测定原理

电池使由2个半电池组成的。

电池电动势是两电极的代数和。

当电势都以还原电势表示时，

以丹尼尔电池为例：

Zn|Zn2+（a1）||Cu2+（a2）|Cu

负极反应：

Zn→Zn2++2e-

正极反应：

Cu2++2e-→Cu

电池反应：

Zn+Cu2+→Cu+Zn2+

在电化学中，电极电势的绝对值至今还无法测定，而是以某一电极的电极电势作为零，然后将其它的电极与它组成电池，规定该电池的电动势为该被测电极的电极电势。

通常将标准氢电极（即氢气为101325Pa下的理想气体、溶液中“（H’）为1）的电极电势规定为零。

由于氢电极制备及使用不方便等缺点，一般常用另外一些制备工艺简单、易于复制、电势稳定的电极作为参比电极来代替氢电极。

常用的有甘汞电极和氯化银电极等，这些电极与标准氢电极比较而得到的电势已精确测定。

本实验要求制备锌电极、银电极，然后用饱和甘汞电极作参比电核，测量达两个电极的电极电势、测量银浓差电池的电动势。

三、仪器与药品

精密电位差计（包括直流稳压电源、分流器、补偿电位计；标准电池、捡流计各1台）；半电油管3个；饱和甘汞电极1只、锌电极1只；银电极2只；15创小烧杯5个。

0.1000mol/kg-1znS04、0.1000mol/kg-1AgCl，0.1000mol/kg-1KCl、饱和KCl盐桥、饱和KNO3盐桥、饱和硝酸亚汞溶液。

四、实验步骤

1．电极制备

（1）锌电极

用抛光砂纸将锌电极表面打磨光滑，然后用自来水冲洗，用滤纸擦干，再浸入饱和硝酸亚汞溶液中3—5秒，取出后用滤纸擦拭锌电极，使锌电极表面有一层均匀的汞齐，再用蒸馏水洗净（注意：

汞盐有毒，用过的滤纸应投入指定的容器中，容器中应有水淹没滤纸，切勿随便乱丢）。

（2）银电极

把两根银电极用抛光砂纸轻轻擦亮，再用蒸馏水洗净擦干。

把处理好的两根吨电极浸入AgN岛溶液中，测量其间的电动势值。

两根电极间的电位差小于0.005伏方可在浓差电池中使用，否则，需重新处理电极或重新挑选电极。

2．半电池的制作

（1）Zn|ZnSO4（0.1000mol/kg-1）半电池的制作

如图15-2安装半电池。

用洗耳球从支管D处将0.1000mol/kg-1ZnSO4溶液慢慢吸入半电池管少许，洗涤两次后，吸入适量溶液，立即把D处夹紧。

然后取出半电池，检查管内有无气泡以及溶液是否从管内流出。

（2）Ag|AgNO3：

（0.1000mol/kg-1）半电池的制作:

制作方法同

（1）。

（3）Ag|Ag+（b）KCl（0.1000mol/kg-1）半电池的制作:

在干净的小烧杯中加入0.1000mol/kg-1KCl溶液，再加入—滴0.1000mol/kg-1AgNO3溶液，搅拌均匀，呈白色混浊溶液。

特此溶液吸入插有银电极的半电池管内，将D处夹紧，检查有无漏气。

3．电动势的测定

（1）参看本书第二部分仪器8，弄懂电位差计的使用方法，并接好测量线路。

（2）按室温下的标准电池的电动势值（见本书第二部分仪器7），对电位差计的工作电流进行标定。

（3）选择合适的盐桥，然后分别测量下列各电池的电动势值：

①Zn|ZnSO4（0.1000mol/kg-1）|饱和甘汞电极

⑧饱和甘汞电极|AgNO3（0.1000mol/kg-1）|Ag

⑧银浓差电池电动势

Ag|Ag+（b）KCl（0.1000mol/kg-1）|AgNO3（0.1000mol/kg-1）|Ag

五、关键操作及注意事项

1．半电池管和小烧杯必须清洗干净，实验前先检查半电池管是否漏气。

2．制作半电池以及将半电池插入盐桥时，注意不要进入气泡。

3，AgNO3：

废液必须倒入回收瓶中。

六、数据处理

1．计算室沮下饱和甘汞电极的电极电势，校正公式见本书第二部分仪器7。

2．根据所测电池电动势的实验值E实分别计算Zn+／Zn和Ag+／Ag的电极电势（实验值）。

3．从附表中查出25℃下锌电极和银电极的标准电极电势及其湿度系数以及活度系数，由此计算室温下锌、银的电极电势，并与2的实验值进行比较，求出相对误差。

4．根据所测得的银浓差电池电动势置，通过下述（4）、（5）式计算AgCl的溶度积。

对于稀薄水溶液，b与C在数值上相等，所以溶度积可表示为

七、思考与讨论