物理化学——凝固点降低法测定摩尔质量.pdf

物理化学物理化学 凝固点降低法测定摩尔质量凝固点降低法测定摩尔质量 1 实验目的实验目的 通过本实验加深对稀溶液依数性质的理解 掌握溶液凝固点的测量技术 用凝固点降低法测定萘的摩尔质量 2 实验原理实验原理 固体溶剂与溶液成平衡的温度称为溶液的凝固点 含非挥发性溶质的双组分稀溶液的凝 固点低于纯溶剂的凝固点 凝固点降低是稀溶液依数性质的一种表现 当确定了溶剂的种类 和数量后 溶剂凝固点降低值仅取决于所含溶质分子的数目 对于理想溶液 根据相平衡条 件 稀溶液的凝固点降低值与溶液成分关系由范德霍夫凝固点降低公式给出 2 f B f fmAB R T n T HAnn 1 1 式中 Tf为凝固点降低值 Tf 为纯溶剂的凝固点 fHm A 为摩尔凝固热 nA和 nB分别为 溶剂和溶质的物质的量 当溶液很稀时 nB nA 则 2 2 ff B fABfB fmABfm R TR T n TMmK m HAnnHA 1 2 式中 MA为溶剂的摩尔质量 mB为溶质的质量摩尔浓度 Kf即称为质量摩尔浓度凝固点降 低常数 如果已知溶剂的凝固点降低常数 Kf 并测得此溶液的凝固点降低值 Tf 以及溶剂和溶 液的质量 mA mB 则溶质的摩尔质量由下式求得 B Bf fA m MK T m 1 3 应该注意 如果溶质在溶液中有解离 缔合 溶剂化和配合物形成等情况时 不能简单 地运用上式计算溶质的摩尔质量 如此可看出 溶液凝固点降低法可用于溶液热力学性质的 研究 例如电解质的电离度 溶质的缔合度 溶质的渗透压和活度系数等 纯溶剂的凝固点是它的液相和固相共存时的平衡浓度 若将纯溶剂逐步冷却 理论上其 冷却曲线 或称步冷曲线 应如图 1 1 所示 但实际过程中往往发生过冷现象 即 在过冷而开始析出固体时 放出的凝固热才使体系的温度回升到平衡温度 待液体全部凝固 后 温度再逐渐下降 其步冷曲线呈图 1 1 的形状 过冷太甚 会出现如图 1 1 的形状 溶液凝固点的精确测量 难度较大 当将溶液逐步冷却时 其步冷曲线与纯溶剂不同 见图 1 1 由 于溶液冷却时有部分容积凝固而析出 使剩余溶液的浓度逐渐 增大 因而剩余溶液与溶剂固相的平衡温度也在逐渐下降 出现图 1 1 的形状 通 常发生稍有过冷现象 则出现图 1 1 的形状 此时可以将温度回升的最高值近似地 作为溶液的凝固点 若过冷太甚 凝固的溶剂过多 溶液的浓度变化过大 则出现图 1 1 的形状 测得的凝固点将偏低 影响溶质摩尔质量的测定结果 因此在测量过程中 应该设法控制适当的过冷程度 一般可通过控制寒剂温度 搅拌速度等方法来达到 严格地说 纯溶剂和溶液的冷却曲线 均应通过外推法求得凝固点 Tf 和 Tf 如图 1 1 曲线应以平台段温度为准 曲线 则可以将凝固后固相的冷却曲线向上外推至 与液相段相交 以此交点温度作为凝固点 3 实验仪器和试剂实验仪器和试剂 凝固点测定仪 数字式贝克曼温度计 水银温度计 分度值 0 1 酒精温度计 压片 机 移液管 25mL 恒温槽 环己烷 AR 萘 AR 碎冰 4 实验步骤实验步骤 4 1 仪器的安装 按图将凝固点测定仪安装好 凝固点管 数字式贝克曼温度计的探头及搅棒都需清洁和 干燥 防止搅拌时搅棒与管壁或温度计相摩擦 4 2 调节寒剂的温度 调节冰水的量使寒剂的温度为 3 5 左右 寒剂的温度以不低于所测溶液凝固点 3 为 宜 实验寒剂应经常搅拌并间断的补充少量的碎冰 使寒剂温度基本保持不变 4 3 溶剂凝固点的测定 用移液管准确移取 25 00mL 环己烷 加入凝固点管中 加入的环己烷要足够浸没贝克 曼温度计的探头 但也不要太多 注意不要将环己烷溅在管壁上 塞紧软木塞 以避免环己 烷挥发 记下溶剂温度 将盛有环己烷的凝固点管直接插入寒剂中 上下移动搅拌棒 使溶剂逐步冷却 当有固 体析出时 从寒剂中取出凝固点管 将管外冰水擦干 插入空气套管中 缓慢而均匀的搅拌 之 每秒约一次 观察贝克曼温度计读数 直至温度稳定 此乃环己烷的近似凝固点 取出凝固点管 用手温热之 使管中的固体完全融化 再将凝固点管直接插入寒剂中缓 慢搅拌 使溶剂较快的冷却 当溶剂的温度降至高于近似凝固点 0 5 时迅速取出凝固点管 擦干后插入空气套管中 并缓慢搅拌 每秒一次 使环己烷温度均匀的逐渐降低 当温度 低于近似凝固点 0 2 0 3 时应急速搅拌 防止过冷超过 0 5 促使固体析出 当固体析 出时 温度开始上升立即改为缓慢搅拌 连续记录温度回升后的贝克曼温度计的读数 直至 稳定 此即为环己烷的凝固点 重复测定三次 要求溶剂的凝固点的绝对平均误差小于 0 003 4 4 溶液凝固点的测定 取出凝固点管 使管中的环己烷融化 自凝固点管的支管加入事先压成片状 并已精确 称量的萘 所加的量约使溶液的凝固点降低 0 5 左右 测定该溶液凝固点的方法与纯溶剂 相同 先测近似凝固点 再精确测定之 但溶液的凝固点是取过冷温度回升所达到的最高温 度 重复测定三次 要求其绝对平均误差小于 0 003 5 数据记录与处理数据记录与处理 5 1 溶剂凝固点的测定 当溶剂的温度降至高于近似凝固点 0 5 时迅速取出凝固点管 擦干后插入空气套管中 并缓慢搅拌 使环己烷温度均匀降低 直至低于近似凝固点 0 2 0 3 时急速搅拌 待温度 开始上升时缓慢搅拌 此过程中 每隔 5s 记录贝克曼温度计的读数于表 1 表 1 根据上表 绘制出纯溶剂环己烷的步冷曲线示意图如图 1 结合表 1 和图 1 可知 纯溶剂环己烷的凝固点约为 6 337 5 2 溶液凝固点的测定 同溶剂凝固点的测定 先测近似凝固点 再精确测定其凝固点 在实验记录过程中 每 隔 5s 记录贝克曼温度计的读数于表 2 表 2 5 6 6 6 4 6 8 7 2 7 6 00 511 522 533 54 温度温度 时间时间 min 纯溶剂纯溶剂环己烷的步冷曲线环己烷的步冷曲线 时间 min 0 000 0 083 0 167 0 250 0 333 0 417 0 500 0 583 0 667 0 750 0 833 0 917 温度 T 7 182 6 970 6 853 6 763 6 656 6 531 6 491 6 476 6 455 6 391 6 294 6 289 时间 min 1 000 1 083 1 167 1 250 1 333 1 417 1 500 1 583 1 667 1 750 1 833 1 917 温度 T 6 255 6 251 6 250 6 246 6 243 6 240 6 240 6 241 6 237 6 239 6 231 6 232 时间 min 2 000 2 083 2 167 2 250 2 333 2 417 2 500 2 583 2 667 2 750 2 833 2 917 温度 T 6 301 6 318 6 320 6 323 6 331 6 336 6 336 6 337 6 337 6 337 6 337 6 337 时间 min 3 000 3 083 3 167 3 250 3 333 3 417 3 500 3 583 3 667 3 750 3 833 3 917 温度 T 6 337 6 334 6 333 6 328 6 320 6 315 6 302 6 290 6 274 6 251 6 110 6 026 根据上表 绘制出溶液步冷曲线示意图如图 2 结合表 2 和图 2 可知 环己烷 萘混合溶液的凝固点约为 5 899 5 3 萘摩尔质量的计算 根据以上数据可知 实验测得从环己烷纯溶剂到环己烷 萘混合溶液 凝固点降低值为 0 448 实验称取萘的质量为 0 1805g 查文献可知 环己烷的 Kf值为 20 00Kg mol 1 根据公式 1 3 可计算出萘的摩尔质量为 419 4940g mol 1 6 结果分析与讨论结果分析与讨论 本实验采用凝固点降低法测定萘的摩尔质量 得其值为 419 4940 g mol 1 与实际萘的 相对分子质量 104 g mol 1差距很大 根据摩尔质量计算公式可知是由于 Tf偏小所致 分析 原因可能是纯溶剂没有通过精制干燥 使得 Tf 测量值偏低 而或是测定 Tf时由于搅拌过于 迅速 摩擦管壁生热使得 Tf又偏高 从而使得 Tf偏小 影响测定结果的主要因素有控制过冷的程度和搅拌速度 寒剂的温度等 本实验测定凝 固点需要过冷出现 过冷太甚会造成凝固点测定结果偏低 因此需要控制过冷程度 只有固 5 6 5 8 6 6 2 6 4 6 6 0123456 温度温度 时间时间 min 溶液步冷曲线溶液步冷曲线 液两相的接触面相当大时 固液才能达到平衡 实验过程中就是采取突然搅拌的方式和改变 搅拌速度来达到控制过冷程度的目的 寒剂的温度 寒剂温度过高过低都不利于实验的完成 凝固点降低法测量的是物质的表观摩尔质量 溶质在溶液中有解离 缔合 溶剂化和形 成配合物时 凝固点降低法测定的相对分子质量为溶质的解离 缔合 溶剂化或者形成的配 合物相对分子质量 因此凝固