物理化学实验指导书.docx

1、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BiSn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CuNi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BiCd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PbSn系统，本实验研究的BiSn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

2、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

3、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62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

4、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

5、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

6、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 Sn Bi 沸点或熔点t/ 100 232 271 2，从工作曲线上查出3

7、0、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BiSn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/210185162所测低共熔温度12010080604020WB100510152115.811.68.25.32.71.03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

8、电池、可逆电极、盐桥等概念。 3测定岭Ag+/Ag、ZnZn2+|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151所示

9、。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

10、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+

11、(a2)|Cu负极反应：ZnZn2+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

12、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35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

13、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|AgN

14、O3：(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-1 KCl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：Zn|ZnS

15、O4(0.1000mol/kg-1)|饱和甘汞电极饱和甘汞电极|AgNO3(0.1000mol/kg-1)|Ag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