物理化学实验讲座-110920市公开课一等奖百校联赛特等奖课件

物理化学实验/10/10第1页物理化学试验基本要求“物理化学试验”课程是化学系本科各专业主要基础试验课，目标在于培养学生掌握物理化学试验基本知识和方法，培养和提升学生操作技能、思维能力、分析和处理问题能力，经过试验教学，使学生加深对物理化学基本原理了解，提升利用物理化学理论知识能力。/10/10第2页一、试验预习（10%）试验前预习是顺利完成试验基本确保，经过预习，要求对试验基本原理、试验方法、仪器使用、数据处理等方面内容做到心中有数，防止盲目地边看讲义边操作。详细预习内容以下：要求了解试验目标、试验方法、所用仪器设备等，掌握试验基本原理、试验操作要领以及试验数据处理方法等。防止试验时盲目性。要求在预习本中预先画出规范数据统计格式，包含试验项目，测试内容、测量次数等。要求对预习时所碰到难点、疑点和构想等提出讨论，培养学习主动性和主动性。试验预习须在试验前按试验安排进行，没有预习者需当场预习、经过提问后才能参加试验。预习内容统计在专门预习本上，并保留至本试验课程结束。

/10/10第3页二、综合表现（10%）按时上课，迟到扣分，迟到三十分钟以上、早退和无故缺旷无成绩，不得补做试验。事假须有班主任以上老师签字假条，病假须有医院证实，补做试验后计算成绩。试验时不高声喧哗、不随意走动、不吸烟、不打电话、不随意离开试验室，无故离开20分钟以上者，此次试验无成绩，不得补做试验。保持试验室和试验台清洁卫生。试验结束后，值日同学需按要求清扫试验室，检验并关好门窗水电。

/10/10第4页三、试验操作（40%）试验操作必须认真、规范。损坏仪器除扣分外，还需对应赔偿。原始数据必须真实，统计规范、清楚、整齐。指导教师签字后，不得做任何涂改，凡弄虚作假者，此次试验无成绩，不得补做试验。数据统计一式两份，一份统计在统计本上，一份贴在试验汇报上。试验失败，重做、补做试验扣20分。试验结束后应填写仪器使用统计，将试验台恢复原样，指导教师检验后方可离开试验室。试验台不符合要求将扣分。

/10/10第5页四、实验报告（40%）书写必须规范、整洁。报告内容应包括实验目、实验原理、主要仪器及试剂、实验步骤及操作要领、实验数据记录及数据处理、结果讨论、实验总结及思考题。按要求进行数据处理，做图部分应使用直尺、铅笔、坐标纸等作图工具，凡作图不正规，不计实验报告成绩。未做数据处理不计实验报告成绩。实验报告须在实验后一周内交指导教师，不按时交无实验报告成绩。实验报告雷同者，每人扣20分。/10/10第6页试验目录旋光法测定蔗糖转化反应速率常数恒温水浴组装及其性能测试偶极矩测定分光光度法测定蔗糖酶米氏常数燃烧热测定/10/10第7页试验目录分子几何结构优化和能量准确计算电导法测定水溶性表面活性剂临界胶束浓度计算机模拟基元反应原电池电动势测定/10/10第8页目要求试验原理仪器和试剂试验步骤试验装置示意图试验数据统计与处理问题讨论注意事项试验演示恒温水浴组装及其性能测试退出/10/10第9页试验原理

许多物理化学数据测定，必须在恒定温度下进行。利用电子调整系统，对加热器或致冷器工作状态进行自动调整，使被控对象处于设定温度之下。Principle/10/10第10页

本试验讨论恒温槽就是一个惯用控温装置。恒温槽主要依靠恒温控制器来控制恒温槽热平衡。当恒温槽温度低于设定温度时，恒温控制器迫使加热器工作，当槽温升到设定温度时，控制器又使加热器停顿工作。这么周而复始，就能够使恒温槽温度在一定范围内保持恒定。试验原理/10/10第11页

恒温槽是试验工作中惯用一个以液体为介质恒温装置。用液体作介质优点是热容量大和导热性好，从而使温度控制稳定性和灵敏度大为提升。依据温度控制范围，可采取以下液体介质：-60℃~30℃

——乙醇或乙醇水溶液；0℃~90℃

——水；80℃~160℃

——甘油或甘油水溶液；70℃~200℃

——液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。/10/10第12页

恒温控制器是由继电器、接触温度计和加热器组成。恒温槽灵敏度是在设定温度下采取贝克曼温度计来观察槽温随时间波动情况。若波动最高温度为θ高，最低温度为θ低，其灵敏度为θE＝±（θ高＋θ低）/２。灵敏度是衡量恒温槽级别依据。试验原理/10/10第13页试验原理（a）表示灵敏度较高（b）表示灵敏度较低（c）表示加热器功率太大（d）表示加热器功率太小或散热太快/10/10第14页仪器和试剂玻璃缸1个水银接触温度计

1支继电器1套加热器（带调压器）1套搅拌器（连可调变压器）1套精密温度温差仪1台停表1个ApparatusandMateriaMedica/10/10第15页试验步骤

Procedure1、组装恒温槽，向槽内注入适量水（约占容积４/５）。

2、接通电源，搅拌，加热，调整接触温度计，使槽温维持到设定温度Ts（如：35℃或40℃），调整变压器，使红灯亮时间≈绿灯亮时间（时间差＜20％）。

/10/10第16页试验步骤3、恒温槽灵敏度曲线测定，每半分钟读取温度温差仪中指示值（θ）一次，共60次。

/10/10第17页试验装置示意图Sketch-mapsofEquipments/10/10第18页试验数据统计与处理

DataRecordsandDataProcessing

１、室温： 2、大气压：/10/10第19页３、恒温槽灵敏度测定

恒温槽灵敏度测定（３５℃）时间(min)

温差仪读数θ

θ－（θ高＋θ低）/2

时间(min)

温差仪读数θ

θ－（θ高＋θ低）/2

时间(min)

温差仪读数θ

θ－（θ高＋θ低）/2

恒温灵敏度θE=±（θ高-θ低）/2=原点（θ高+θ低）/2=试验数据统计和处理/10/10第20页

4、以θ－（θ高－θ低）/2为纵坐标，t/min为横坐标，取Ts[≈（θ高＋θ低）/2]为纵坐标原点绘制恒温槽灵敏度曲线图。

试验数据统计和处理/10/10第21页问题讨论

Questions１、管继电器工作原理，它在恒温槽中起什么作用？怎样调整恒温槽到指定温度？２、欲提升恒温槽灵敏度，主要经过哪些路径？3、假如所需恒定温度低于室温，怎样装备恒温槽？/10/10第22页燃烧热测定一、实验目二、试验原理三、药品仪器四、试验步骤五、试验统计六、数据处理八、注意事项九、思索题七、结果分析与讨论/10/10第23页实验目

1.经过萘燃烧热测定,掌握相关热化学试验普通知识和测量技术,了解氧弹式量热计原理、结构和使用方法。

2.了解恒压燃烧热与恒容燃烧热差异及相关关系。

3.学会应用图解法校正温度改变值。/10/10第24页试验原理

1mol物质在标准压力下（101.325KPa）完全燃烧时所放出热量称为燃烧热。在恒容条件下测得燃烧热为恒容燃烧热（QV=内能改变△U），在恒压条件下测得燃烧热为恒压燃烧热（QP=热焓改变△H），若把参加反应气体和反应生成气体作为理想气体处理，则存在以下关系式：

QP=QV+△nRT

式中：△n--生成物和反应物气体物质量之差；

R--摩尔气体常数，8.315J/K•mol；

T--反应前后绝对温度，K（取反应前后平均值）。/10/10第25页

所谓完全燃烧:是指该物质中C变为CO2（气），H变为H2O（液），S变为SO2（气），N变为N2（气），Cl变为HCl（水溶液）金属如银等都成为游离状态。

本试验采取氧弹式量热计测量物质燃烧热。/10/10第26页

氧弹式量热计测量燃烧热基本原理是：假设环境与量热体系没有热量交换，样品完全燃烧所放出热量全部用于量热体系温度改变，那么，假如测得温度改变值ΔＴ和量热体系水当量（即量热体系温度升高１℃时所需热量），就能够计算样品燃烧热。/10/10第27页

依据能量守恒原理，用苯甲酸标定量热体系水当量（VρC+C卡）或C卡：

WQV+qb=(VρC+C卡)△T

式中：W—苯甲酸质量，g；

QV—苯甲酸燃烧热，26465J/g；

q—引火丝燃烧热，3.136J/cm；

b—引火丝长度，cm；

V—量热容器中水体积，ml；

C—水比热，4.1868J/g•K；

ρ—水密度，g/ml；

C卡—除水以外量热体系热容，J/K；

ΔT—校正后温度改变值，K。/10/10第28页

萘燃烧热QV测定：

式中：M----为萘分子量，128.17g/mol；

C卡----由苯甲酸标定求得；其它符号同上。/10/10第29页药品仪器1.氧弹式量热计（附压片机）；2.氧气钢瓶（附减压阀及氧气表）；3.万用表；4.引火丝（Φ0.12mmCu-Ni丝，q=3.136J/cm）；5.贝克曼温度计；6.电子天平；7.容量瓶（500ml、1000ml）；8.苯甲酸（AR，烘干后置于干燥器内），萘（AR）；9.等等。/10/10第30页氧弹式量热计（附压片机）/10/10第31页氧气钢瓶（附减压阀及氧气表）/10/10第32页贝克曼温度计/10/10第33页试验步骤1.量热计水当量Cm测定样品压片和装置氧弹氧弹充氧气装置热量计点火燃烧和升温测量整理设备，准备下一步试验2.测量萘燃烧热

称取0.6g左右萘，用上述方法测定萘燃烧热。/10/10第34页1.样品压片和装置氧弹（1）称取1g左右苯甲酸（不得超出1.1g）；（2）量取14cm长引火丝，中间用细铁丝绕几圈做成弹簧形状，在天平上准确称量；（3）将引火丝放在模子底板上，然后将模子底板装进模子中，并倒入称好苯甲酸样品；（4）将模子装在压片机上，下面填以托板，渐渐旋紧压片螺丝直到压紧样品为止（压得不能太紧也不能压得太要松，为何？）；（5）抽走模子底下托板，再继续向下压，则样品和模子一起脱落，然后在天平上准确称量（样品+引火丝）；（6）将样品上引火丝两端固定在氧弹两个电极上，引火丝不能与坩埚相碰（为何？）；/10/10第35页2.氧弹充氧气（1）用万用电表测量氧弹上两电极是否通路（两极电阻约10Ω），如不通应打开氧弹重装，如通路即可充氧。（2）氧弹与氧气瓶连接：①旋紧氧弹上出气孔螺丝；②将氧气表出气孔与氧弹进气孔用进气导管连通，此时氧气表减压阀处关闭状态（逆时针旋松）；③打开氧气瓶总阀（钢瓶内压大于3MPa），沿顺时针旋紧减压阀至减压表压为2MPa，充气2min，然后逆时针旋松螺杆停顿充气；④旋开氧弹上进气导管，关掉氧气瓶总阀，旋紧减压阀放气，再旋松减压阀复原。/10/10第36页3.装置热量计（1）用万用电表再次测量氧弹两极是否通路，若电阻在10Ω左右（假如没有，须放气重装），将氧弹放入量热计内桶；（2）用容量瓶准确量取已被调好低于外桶水温0.5-1.0℃蒸馏水2500ml，装入量热计内桶；（3）装好搅拌器，将点火装置电极与氧弹电极相连；（4）将已调好贝克曼温度计插入桶内，盖好盖子，总电源开关打开，开始搅拌；（5）振动点火开关开向振动，计时开始，每隔0.5min读取贝克曼温度计/10/10第37页4.点火燃烧和升温测量（1）按振动点火开关开向振动，计时开始，每隔1min读取贝克曼温度计温度一次，共读取十次；（2）按振动点火开关开向点火，点火指示灯亮后1s左右又熄灭，而且量热计温度快速上升，表示氧弹内样品已燃烧。可将振动点火开关开向振动，并每隔0.5min读取贝克曼温度计温度一次；（3）至温度不再上升（迟缓）而开始下降时，再每隔1min读取贝克曼温度计温度一次，共读取十次。/10/10第38页5.整理设备，准备下一步试验（1）停顿搅拌，关掉总电源开关；（2）取出氧弹，并打开放气阀放气；（3）观察燃烧情况，取出剩下引火丝，并准确量取剩下长度；（4）倒掉氧弹和量热计桶中水，并擦干、吹干。/10/10第39页试验数据统计试验日期：

；室温：

℃；气压：

KPa

1.量热体系C卡测定

2.萘燃烧热QV测定/10/10第40页1.量热体系C卡测定苯甲酸样品重

g；引火丝长度

cm；引火丝剩下长度

cm；水体积

ml；水温度

℃；氧弹计外壳套筒温度

℃。时间(min)12345678910………………贝克曼温度计示值℃/10/10第41页2.萘燃烧热测定萘样品重

g；引火丝长度

cm；引火丝剩下长度

cm；水体积

ml；水温度

℃；氧弹计外壳套筒温度

℃。时间(min)12345678910………………贝克曼温度计示值℃/10/10第42页数据处理1.确定ΔT1、ΔT22.确定ρ1、ρ2

3.求C卡4.求出萘恒容燃烧热QV5.求出萘恒压燃烧热QP6.与文件值比较/10/10第43页

1.用雷诺图（温度—时间曲线）法分别校正苯甲酸和萘燃烧而使量热体系温度改变ΔT1、ΔT2。/10/10第44页

b点相当于开始燃烧点，c为观察到最高点温度读数，过T1T2线段中点T作水平线TG，于T---t线相交于点O，过点O作垂直线AB，此线与ab线和cd线延长线交于E、F两点，则点E和点F所表示温度差即为欲求温度升高值ΔT。即ΔT=TE-TF/10/10第45页2.依据水温度，分别确定水密度ρ1、ρ2

温度℃

101112131415密度g/ml0.99970.99960.99950.99940.99930.9991温度℃

161718192021密度g/ml0.99900.99880.99860.99840.99820.9980温度℃

222324252627密度g/ml0.99780.99750.99730.99710.99680.9965温度℃

282930313233密度g/ml0.99620.99600.99570.99540.99500.9947/10/10第46页

3.依据

求C卡/10/10第47页4.依据求出萘恒容燃烧热QV/10/10第48页5.依据求出萘恒压燃烧热QP萘燃烧反应式为：(T为氧弹计外壳套筒温度，Δn=-2)/10/10第49页液体饱和蒸气压的测定/10/10第50页文件值：萘C10H8（s）ΔcH0m（101.325KPa,298K)

文件值为-5153.9KJ/mol

因QP=ΔH，如温度差异不大（即≈298K），压力影响不大，可认为ΔH≈ΔcH0m/10/10第51页试验结果与讨论⑴结果：实测值为QP=⑵计算试验偏差：⑶分析产生偏差原因：⑷有何提议与想法？/10/10第52页注意事项：1.样品按要求称取，不能过量。过量会产生过多热量，温度升高会超出贝克曼温度计刻度；2.样品压片时不能过重或过轻；3.引火丝与样品接触要良好，且不能与坩锅等相碰；4.调整贝克曼温度计时，要轻慢；5.“点火”要果断。/10/10第53页1.用平衡管测定不一样温度下液体饱和蒸气压。2.了解纯液体饱和蒸气压与温度关系并学会由图解法计算水平均摩尔气化热和正常沸点。3.掌握用静态法测定液体饱和蒸气压操作方法。一、实验目/10/10第54页在通常温度下，纯液体与其蒸气达平衡时蒸气压称为该温度下液体饱和蒸气压，简称为蒸气压。蒸发1mol液体所吸收热量称为该温度下液体摩尔气化热。二、试验原理/10/10第55页液体饱和蒸气压与温度关系可用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示:

式中，R为摩尔气体常数;T为热力学温度;ΔvapHm为在温度T时纯液体摩尔气化热。/10/10第56页ΔvapHm能够近似作为常数，积分上式，得:(2)

其中C为积分常数。由此式能够看出，以lnp对1/T

作图，应为一直线，直线斜率为

，由斜率可求算液体ΔvapHm

。/10/10第57页气压计321真空泵自来水三、仪器装置安全瓶平衡管水浴电热板/10/10第58页四、试验步骤ABC去离子水去离子水水浴去离子水1、平衡管中加入纯水/10/10第59页关闭活塞1，打开活塞2，开动真空泵，缓缓关小活塞3，当气压计指数约是-20kPa时，关闭活塞2，同时打开活塞3，约5分钟后，若气压计指数不变，则表明系统不漏气不然，应逐段检验，直到消除系统漏气原因。2、系统气密性检验密闭体系/10/10第60页3、排除A、B弯管空间内空气4、饱和蒸气压测定/10/10第61页五、数据处理1.数据统计表大气压

kPa室温

℃温度（℃）1/T蒸汽压plnp

/10/10第62页2.绘出水蒸气压温度曲线。3.以lnp对1/T

作图，并由直线斜率得出平均摩尔气化热ΔvapHm，并求出水正常沸点。

/10/10第63页六、注意事项1.减压系统不能漏气，不然抽气时达不到本试验要求真空度。2.必须充分排净平衡管中全部空气，平衡管必须放置于恒温水浴中水面以下，不然其温度与水浴温度不一样。3.当平衡管中U型部分液面平齐时，读数要快速，读毕应马上打开大缓冲瓶与真空泵连接活塞抽气减压，预防空气倒灌。若发生倒灌现象，必须重新排净平衡管内空气。/10/10第64页1、测定蔗糖转化反应速率常数和半衰期。

2、了解反应反应物浓度与旋光度之间关系。3、了解旋光仪基本原理，掌握旋光仪正确使用方法。Ⅰ实验目旋光法测定蔗糖转化反应速率常数/10/10第65页

1、蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖,其反应为：C12H22O11+H2O→C6H12O6+C6H12O6(蔗糖)(葡萄糖)(果糖

)Ⅱ试验原理

2、它是一个二级反应,在纯水中速率极慢。H+离子能催化此反应进行.在水大量存在,尽管有部分水分子参加了反应,仍可近似地认为整个反应过程中水浓度是恒定.所以蔗糖转化反应可看作为准一级反应。反应物：蔗糖是右旋性物质,其比旋光度[α]D20=66.6o;生成物：葡萄糖是右旋性物质,其比旋光度[α]D20=52.5o；果糖是左旋性物质,其比旋光度[α]D20=-91.9o./10/10第66页因为旋光度与物质浓度成正比，所以有：体系最初旋光度为α0=β反Co(t=0,蔗糖还未转化)（1）体系最终旋光度为α∞=β生C(t=∞,蔗糖已完全转化)（2）其中β反和β生分别为反应物与生成物百分比常数。当初间为t时,蔗糖浓度为c,此时旋光度为αt,即

αt=β反C+β生(Co–C)（3）联立（1）、（2）、（3）得C0=(αo-α∞)/(β反-β生)=β′(αo-α∞)（4）C=(αt-α∞)/(β反-β生)=β′(αt-α∞)（5）依据一级反应速率方程可得：

ln(αt-α∞)=-k0t+Ln(αo-α∞)（6）ln(α0-α∞)对t作图可得一直线,从直线斜率既可求得反应速率常数k0

/10/10第67页Ⅲ试验步骤

1详细步骤

1）仪器装置。了解旋光仪结构，原理，掌握使用方法。2）反应过程旋光度测定。3）α∞测量。反应完成后，将旋光管内反应液与试管内剩下反应混合液合并，置于50～60oC水浴内温热40min，使其加速反应至完全。然后取出，冷至试验温度下测定旋光度，在10～15min内，读取5～7个数据，如在测量误差范围，取其平均值，既为α∞值。4）同上法测量其它温度下不一样反应时间对应旋光度。/10/10第68页2注意事项数显全自动旋光仪其电源用是直流电源。掌握全自动旋光仪和手动旋光仪使用方法。3提问1）旋光度与哪些原因相关？2）在蔗糖转化反应过程中所测旋光度αt是否必须要进行零点校正？/10/10第69页Ⅳ试验总结1数据处理1）将测得旋光度αt对时间t列表、作出图。3）依据试验测得k（T1）和k（T2），利用阿仑尼乌斯（Arrhenius）公式计算反应平均活化能。

2）将αt-t曲线上，等间隔取8个（αt-t）数组，并经过计算，以ln（αt-α∞）对t作图，由直线斜率求反应速率常数k并计算反应半衰期t1/2。

/10/10第70页1）在混合蔗糖溶液和盐酸溶液时，我们将盐酸加到蔗糖溶液，而不能将蔗糖溶液加到盐酸溶液中去。2）配置蔗糖溶液时称量不够准确，对测量结果没有影响。2讨论/10/10第71页1、研究型利用该方法能够测定许多有机化合物旋光性。2、参考书.复旦大学编.物理化学试验（第三版）.北京：高等教育出版社，Ⅴ试验延伸/10/10第72页电导法测定水溶性表面活性剂临界胶束浓度

第73页实验目1.了解表面活性剂特征及胶束形成原理。2.掌握DDS-11A型电导仪使用方法。3.用电导法测定十二烷基硫酸钠临界胶束浓度。第74页试验原理

显著“两亲”性质分子，即含有亲油足够长(大于10～12个碳原子)烃基，又含有亲水极性基团。由这一类分子组成物质称为表面活性剂，表面活性剂分子都是由极性部分和非极性部分组成。

表面活性剂进入水中，在低浓度时呈分子状态，而且三三两两地把亲油基团靠拢而分散在水中。当溶液浓度加大到一定程度时，许多表面活性物质分子立刻结合成很大集团，形成”胶束”。第75页试验原理以胶束形式存在于水中表面活性物质是比较稳定。表面活性物质在水中形成胶束所需最低浓度称为临界胶束浓度，以CMC表示。

当表面活性剂溶于水中后，不但定向地吸附在溶液表面，而且到达一定浓度时还会在溶液中发生定向排列而形成胶束。表面活性剂为了使自己成为溶液中稳定分子，有可能采取两种路径：一是把亲水基留在水中，亲油基伸向油相或空气；二是让表面活性剂亲油基团相互靠在一起，以降低亲油基与水接触面积。

第76页试验原理前者就是表面活性剂分子吸附在界面上，其结果是降低界面张力,形成定向排列单分子膜，后者就形成了胶束。因为胶束亲水基方向朝外，与水分子相互吸引，使表面活性剂能稳定溶于水中。

本试验利用DDS-11A型电导仪测定不一样浓度十二烷基硫酸钠水溶液电导值(也可换算成摩尔电导率)，并作电导值(或摩尔电导率)与浓度关系图，从图中转折点求得临界胶束浓度。

第77页仪器试剂DDS-11A电导率仪一台；容量瓶(50mL)12只；260型电导电极一支；温水浴一套；分析天平1台

仪器：试剂：十二烷基硫酸钠(分析纯)

第78页试验步骤1.取十二烷基硫酸钠在80℃烘干3小时，用电导水或重蒸馏水准确配制0.002，0.006，0.007，0.008，0.009，0.010，0.012，0.014，0.018，0.020mol·L-1十二烷基硫酸钠溶液各50mL。2.开通电导率仪和恒温水浴电源预热20min。调整恒温水浴温度至25℃。第79页试验步骤3.用DDS-11A型电导仪从稀到浓分别测定上述各溶液电导值。用后一个溶液荡洗存放前一个溶液电导池三次以上，各溶液测定时必须恒温10min，每个溶液电导读数三次，取平均值。4.列表统计各溶液对应电导，并换算成电导率或摩尔电导率。

第80页试验步骤3.试验数据统计表浓度/mol·L-1电导率浓度/mol·L-1电导率第81页注意事项测定水溶液电导时要按从稀到浓次序来测。配制溶液时必须确保浓度准确性。

第82页思索题若要知道所测得临界胶束浓度是否准确，可用什么试验方法验证之？非离子型表面活性剂能否用本试验方法测定临界胶束浓度？若不能，则可用何种方法测之？溶解表面活性剂分子与胶束之间平衡温度和浓度相关系，其关系式为：

试问怎样测出其热效应△H？第83页偶极矩测定试验目标：1．了解偶极矩与分子电性关系。

2．了解溶液法测定偶极距原理和方法。3．测定极性物质（乙酸乙酯）在非极性溶剂（四氯化碳）中介电常数和分子偶极矩。/10/10第84页分子极性分子非极性分子偶极矩正负电荷中心不重合有无正负电荷中心重合/10/10第85页极性分子含有偶极矩

待测物质是极性分子丙酮

怎样判断分子是否含有偶极矩利用分子结构对称性分子对称性分子性质/10/10第86页1．用溶液法测定丙酮偶极矩。2．了解分子偶极矩和分子电性质关系3．掌握折射法测偶极矩试验技术。一、实验目/10/10第87页二、试验仪器和试剂

容量瓶(50mL)6只数字小电容测试仪

电容池一只电吹风一只四氯化碳或环丙烷(AR)预先干燥处理丙酮(AR)预先干燥处理/10/10第88页三、试验原理与方法

偶极矩是矢量，要求：方向是从正电荷中心指向负电荷中心分子极性大小用偶极矩

来度量，其定义：/10/10第89页q为正、负电荷中心所带电荷量；r是正、负电荷中心间距离。偶极矩SI单位是库［仑］米(C·m)。而过去习惯使用单位是德拜(D)，1D=3.338×10-30C·m。偶极矩理论最初由Debye于19提出，测量工作开始于代，分子偶极矩通常可用微波波谱法、分子束法、介电常数法和其它一些间接方法来进行测量。/10/10第90页

因为前两种方法在仪器上受到不足较大，因而文件上发表偶极矩数据绝大多数来自于介电常数法。由测量介电常数方法来计算分子偶极矩至今已发展成各种不一样独立方程式。/10/10第91页

只有极性分子才有偶极矩，所以本试验待测物质（试验对象）是极性分子，溶液法是将待测待测物质溶解在溶剂中（普通是较稀溶液），以溶剂作为分散剂，以减小待测物质间作用力，然后测定溶液性质，再依据测定数据利用作图法（可利用计算机拟合），利用相关公式计算出溶质（待测物质）偶极矩。/10/10第92页选择溶剂应考虑以下原因：

（a）必须是非极性（b）与溶剂性质（如密度等）相差越大越好，这么不一样浓度溶液测量数据差异，测定相对误差小。（c）溶剂稳定，毒性小，挥发性小，便于操作。/10/10第93页

极性分子含有永久偶极矩，在没有外电场存在时，因为分子热运动，偶极矩指向各方向机会均等地，故其偶极矩统计值为零。若将极性分子置于均匀外电场中，分子将会沿电场方向作定向转动，同时分子中电子云对分子骨架发生相对移动，分子骨架也会变形，称为分子极化。极化程度可用摩尔极化度P来度量。因转向而极化称为摩尔转向极化度P转向(P0)

，由变形所致极化称为摩尔变形极化度P变形(PD)。而P变形又是电子极化P电子

(PE)和原子极化P原子(PA)之和。/10/10第94页测定偶极矩基本公式

·················1在某一定温度下测溶剂和溶液介电常数，则利用/10/10第95页

可计算总摩尔极化度P=PE+PA+P0

；

D、

E、

A、

0分别为变形极化率、电子极化率、原子极化率和分子转向极化率；

为物质介电常数；P称为总摩尔极化度，PE、PA、P0

、PD分别为电子极化度、原子极化度、转向极化度和变形极化度；M为分子量，NA是阿伏加德罗常数，d为T温度下密度。/10/10第96页摩尔折射度(R)是因为在光照射下分子中电子(主要是价电子)云相对于分子骨架相对运动结果。R可作为分子中电子极化率量度，其定义为M为分子量，d为T温度下密度。/10/10第97页摩尔折射度与波长相关，若以钠光D线为光源（属于高频电场，

＝5893Å

），所测得折光率以nD表示，对应摩尔折射度以RD表示。依据Maxwell电磁波理论，物质介电常数

和折射率n之间相关系：

和n均与波长

相关，将其代入前式得/10/10第98页关系。R称为摩尔折射度，n为折射率。忽略贡献较小PA一项，则有·················3···········2在同一温度下测定溶液和溶剂折射率n，用钠黄光（可见光）测定相当于在高频电场中有/10/10第99页

试验测定P、R后，即可计算偶极矩

0。需要指出是，克劳修斯－莫萦第－德拜方程推导出来1式，以及3式均应有相同适用范围，即气态、非极性液体、极性溶质在非极性溶剂中稀溶液。原因是极性分子之间相互作用强误差大，为消除极性分子间相互作用，将极性溶质以较小浓度溶于非极性溶剂中，配成几个不一样浓度溶液，其摩尔极化度P12也可用克劳修斯－莫索第－德拜方程表示：/10/10第100页代入4式得···············4/10/10第101页同理（在高频可见光下测n时）有············6···55式-6式，并忽略贡献较小

A

，可得···········7/10/10第102页因为是稀溶液，···8a···8b/10/10第103页从而可得

···········9所以，能够仅测各溶液C2、

12、n12三套数据，/10/10第104页但溶剂两个数据

1，n1也是必要，因为对8a式来说，能够由

1，n1计算截距与从图上所得截距对比作为对结果检验；对8b来说，以对C2作图，图线经过原点，增加一个图线端点坐标，给作图带来便利。

/10/10第105页四、试验步骤

配制丙酮环己烷(四氯化碳)溶液各50mL，分别盛于6个小容量瓶中，其浓度分别为0.100，0.200，0.400，0.600，0.800，1.200(mol/L)，操作时应注意预防溶液、溶剂挥发以及吸收极性较大水汽。1、溶液配制/10/10第106页3、介电常数测定测定纯溶剂和6份所配溶液折光率。注意各样品加样三次，每次读取三个数据。式中C0为真空时电容。···········10经过测定电容计算对于平行板电容器2、折光率测定/10/10第107页

本试验待测物质放在电容池中利用小电容测试仪进行测试，但电容池在小电容测试仪插孔上所展现电容C测可看作为电容池二电极间电容C和整个测试系统中分布电容Cd并联所组成，即C测＝C+Cd

。C是随介质不一样而改变，而Cd不随测试物质改变而改变恒值，即Cd不是所测物质电容，应在各次测量后扣除。测求Cd方法是用已知介电常数标准物质进行标定。/10/10第108页再测不加样品空电容器电容C空′测得标准物质电容C标′(C测)。近似：C空≈C0，代入12即可求得Cd···········11···········12···········13代入13/10/10第109页四氯化碳作为标准物质式中t为恒温温度（摄氏温度）。介电常数温度公式环己烷作为标准物质(1)电容C0和Cd测定/10/10第110页

用电吹风将电容池二极间空隙吹干，旋上金属盖。读出电容值。读取电容值，重复测试三次，三次平均值即为C空′(C空+Cd－仪器分布电容)。再用滴管吸收干燥过标准物质，从金属盖中间口加入四氯化碳(环己烷)，使液面超出电极。并盖上塑料塞，以防四氯化碳(环己烷)挥发。恒温数分钟后，如上述步骤测定电容值。然后打开金属盖，移去电极间四氯化碳(环己烷)(倒入回收瓶中)。重新装样再次测电容值。三次测量电容值平均值即为C标′。从而可求C空(近似等于C0)和Cd值。

/10/10第111页测定方法与标准物质测量相同。重复测定时，不但要移去电容间溶液，还要用电吹风将二极间空隙吹干。然后复测C空′值，两次值差有小于0.01pF。再加入待测溶液，测电容，两次测定数据差值应小于0.05pF，不然要继续复测。三次所测电容读数取平均值，减去Cd,即为溶液电容值C12。因为溶液易挥发，故加样时动作要快速，加样后塑料塞要塞紧。(2)溶液电容测定/10/10第112页4、试验统计与数据处理

(1)、试验体系

丙酮四氯化碳(环己烷)溶液测电容和折射率时恒温温度：20℃或25℃(2)、试验统计及数据处理统计试验数据并进行数据计算处理，对比试验结果与理论文件值差异，分析原因并思索怎样处理。/10/10第113页五、思索问题

1、本试验测定偶极矩时做了哪些近似处理?

2、准确测定溶质摩尔极化度和摩尔折射度时，为何要外推到无限稀释?

3、在偶极矩测定试验中样品室吹干时为何不能用热风吹干?/10/10第114页计算机模拟基元反应

一、试验目标

1.了解分子反应动态学主要内容和基本研究方法。2掌握准经典轨线法基本思想及其结果所代表物理涵义。3.了解宏观反应和微观基元反应之间统计联络。/10/10第115页二、试验原理

分子反应动态学是在分子和原子水平上研究化学反应最基本过程——分子碰撞;

准经典轨线法是一个以经典散射理论为基础分子反应动态学计算方法。构想一个简单反应体系，A+BC，当A原子和BC分子发生碰撞时，可能会有以下几个情况发生:

/10/10第116页/10/10第117页准经典轨线法基本思想；

将A，B，C都近似看成经典力学质点，考查它们坐标和动量随时间改变情况，就能知道原子之间是否发生了重新组合，即是否发生了化学反应，以及碰撞前后各原子或分子所处能量状态。经过对各种碰撞条件结果作统计平均，就能得到可与宏观试验数据相比较理论动力学参数。/10/10第118页1.哈密顿运动方程设一个反应有N个原子，它们运动情况能够用3N个广义坐标qi和3N个广义动量pi来描述。若体系总能量计作H(是qi和pi函数），按照经典力学，坐标和动量随时间改变情况符合以下规律。对于A原子和BC分子所组成反应体系，应该有9个广义坐标和9个广义动量，组成9组哈密顿运动方程。/10/10第119页依据经典力学知识，当一个体系没有受到外力作用时，整个体系质心应该以一恒速运动，而且这一运动和体系内部所发生反应无关。同时,体系势能由体系中全部原子静电作用引发，所以它只和体系中原子相对位置相关，和整个体系空间位置无关。只要选取适当坐标系，就能够扣除体系质心位置三个坐标，将9组哈密顿方程简化为6组，大大降低计算工作量。/10/10第120页若选取正则坐标系，有三组方程描述质心运动能够略去，还剩6组12个方程。选取正则坐标时，式中μA，BC是A和BC体系折合质量，μBC是BC折合质量。若知道了位能V就知道了方程详细表示式。/10/10第121页2.位能函数V

位能函数V(q1，q2，…，q6)是一势能超面，无普适表示式，但能够经过量子化学计算出数值解，然后拟合出半经验位能函数——LEPS解析表示式。/10/10第122页3.初值确实定V确定之后，方程就确定。只要知道初始pi(0)，qi(0)，就能够求得任一时间pi(t)，qi(t)。

/10/10第123页

碰撞时，BC分子在不停地转动和振动，BC取向、振动位相、碰撞参数等无法控制，让计算机随机设定，这种方法称为Monte-Corlo法（蒙特卡罗法）。设定BC分子初态时，给出了振动量子数v和转动量子数J，这是经典力学不可能出现，故该方法称为准经典轨线法。/10/10第124页4.数值积分初值确定后，就能够求任一时刻pi(t)，qi(t)，程序中我们采取是Lunge-Kutta值积分法，其计算思想实质上是将积分化为求和。

选择适当积分步长Δx是必要，步长太小，耗时太多，增大步长虽能够缩短时间，但有可能带来较大误差。/10/10第125页5.终态分析确定一次碰撞是否已经完成，只要考查A，B，C坐标，当任一原子离开其它原子质心足够远时(＞5.0a.u.)，碰撞就已经完成。然后经过分析RAB，RBC，RCA大小，确定最终产物，依据终态各原子动量，推出分子所处能量状态，这么就完成了一次模拟。/10/10第126页6．统计平均因为初值随机设定，造成每次碰撞结果不一样，为了正确反应出真实情况，需对大量不一样随机碰撞结果进行统计平均。如对同一条件下A+BC反应模拟了N次，其中有Nr发生了反应，则反应几率为：

Pr=Nr/N/10/10第127页四、试验步骤

开启程序，按照试验数据统计表输入初值，计算100条反应轨线，统计反应几率、反应截面及产物能态分布。依据计算程序作出反应轨线图，从中选出一条反应轨迹和一条非反应轨迹，观察RAB，RBC，RCA随时间改变规律。改变初值，再计算100条反应轨线，统计结果，讨论对于F+H2反应来说，增加平动能、转动能或振动能，哪个对HF形成更为有利？/10/10第128页“计算机模拟基元反应”试验数据统计表

第1次第2次第3次第4次转动量子数J0010振动量子数v0100初始平动能/eV2.02.02.04.0振转能/eV反应几率反应截面/a.u.平均产物平动能/eV平均产物转动能/eV平均产物振动能/eV原子量:

F—18.9984(A)，H—1.0079(B)，H—1.0079(C)积分步长:10.00最大碰撞参数:3.7800a.u.最初A-BC距离:6.0000a.u.反应轨线数:100/10/10第129页依据计算程序作出反应轨线图，与非反应碰撞相比，反应碰撞中原子间距RAB、RBC、RAC改变规律是：

从计算结果能够看出，增加①平动能②转动能③振动能中

，反应几率显著变大，对反应F+H2=HF+H最有利。/10/10第130页GaussView对分子性质可视化输出试验目标:

了解计算机在化学中应用技术。初步掌握GaussView软件使用。经过GaussView对量子化学计算结果可视化，学会分析分子性质，从而加深对复杂分子内部作用了解。/10/10第131页试验原理

GaussView是Gaussian03图形用户界面，能简单快速地结构分子、设置Gaussian计算而且显示Gaussian计算结果，包含：优化结构；分子轨道；振动频率简正模式；原子电荷；静电势曲面；NMR屏蔽密度等。本试验将采取GaussView软件显示Gaussian计算结果，使学生更深入和更直观了解物质微观结构。

/10/10第132页试验步骤

:1.GaussView软件使用打开软件，进入GaussView主窗口。在主窗口中打开下拉菜单“File”,点击“Open”，打开一个高斯计算结果文件（.out文件）打开菜单“View”，点击“DisplayFormat”中“Molecule”选项，能够将分子结构分别以线形模型（WireFrame）、管子模型（Tube）、球棍模型（BallsandSticks）显示用鼠标选中任意两个原子，点击工具栏上“”能够显示键长用鼠标选中任意三个原子，点击工具栏上“”能够显示键角大小打开菜单“Results”，点击“Charges”,选中“ShowChargeNumbers”选项，可将原子电荷数值直接显示在分子结构图上/10/10第133页“计算机模拟基元反应”试验数据统计表

级

专业，第

组，学号：

姓名：

原子量:F—18.9984(A)，H—1.0079(B)，H—1.0079(C)积分步长:10.00最大碰撞参数:3.7800a.u.最初A-BC距离:6.0000a.u.反应轨线数:100第1次第2次第3次第4次转动量子数J0010振动量子数v0100初始平动能/eV2.02.02.04.0振转能/eV反应几率反应截面/a.u.平均产物平动能/eV平均产物转动能/eV平均产物振动能/eV依据计算程序作出反应轨线图，与非反应碰撞相比，反应碰撞中原子间距RAB、RBC、RAC改变规律是：

从计算结果能够看出，增加①平动能②转动能③振动能中

，反应几率显著变大，对反应F+H2=HF+H最有利。“计算机模拟基元反应”试验数据统计表

级

专业，第

组，学号：

姓名：

原子量:F—18.9984(A)，H—1.0079(B)，H—1.0079(C)积分步长:10.00最大碰撞参数:3.7800a.u.最初A-BC距离:6.0000a.u.反应轨线数:100第1次第2次第3次第4次转动量子数J0010振动量子数v0100初始平动能/eV2.02.02.04.0振转能/eV反应几率反应截面/a.u.平均产物平动能/eV平均产物转动能/eV平均产物振动能/eV依据计算程序作出反应轨线图，与非反应碰撞相比，反应碰撞中原子间距RAB、RBC、RAC改变规律是：

从计算结果能够看出，增加①平动能②转动能③振动能中

，反应几率显著变大，对反应F+H2=HF+H最有利。/10/10第134页分子几何结构优化和能量准确计算

试验目标：了解计算机在化学中应用技术。初步掌握惯用量子化学计算软件—Gaussian软件使用。经过计算实例学会分析和应用计算结果。/10/10第135页试验原理

伴随计算机硬件和软件突飞猛进发展，计算化学已成为理论化学主要分支。计算化学主要是经过包含从头计算、半经验方法、密度泛函理论等量子化学方法以及分子力学方法和分子动力学模拟来处理与化学相关问题。当前,计算化学已快速成为定量预测分子，包含生物大分子结构、性质以及反应性有力工具,它广泛地应用于化学各个领域。Gaussian03软件是当前国际上最为流行量子化学计算软件，能够进行一系列半经验计算和分子轨道从头计算，经过计算能够预测分子和化学反应许多性质，含有计算精度高、适用范围广及轻易操作特点。本试验将采取Gaussian03W（Windows版）软件对分子结构和能量进行计算，使学生初步了解计算机在化学中应用技术，学会分析和应用计算结果/10/10第136页试验步骤

1.G03W软件使用打开软件，进入Gaussian03主窗口。在主窗口中打开下拉菜单“File”,点击“New”选项后将跳出“作业编辑对话框”（如图1所表示）。图1Gaussian03作业编辑对话框

图1Gaussian03作业编辑对话框/10/10第137页乙炔分子结构优化和能量计算图2乙炔分子编辑对话框其中OPT表示优化分子结构，HF表示采取从头算Hartree-Fock方法，6-31G*表示采取基函数，0和1分别表示乙烯分子电荷和自旋多重度。分子说明部分采取是分子内坐标，它主要是经过分子中原子空间构型进行设置，详细格式为：元素标识，参考原子，键长，参考原子，键角，参考原子，二面角

/10/10第138页3.点击“RUN”按钮，并将计算结果（以.out文件形式）保留在指定目录中。4.计算结果显示：分子所属点群：FullpointgroupD*H分子总能量SCFDone:E(RHF)=-76.8178264715Hartree/10/10第139页练习部分

1.采取Hartree-Fock方法和基函数优化H2分子结构，计算分子总能量并判断分子所属点群。2.采取Hartree-Fock方法和基函数优化H2O分子结构，计算分子总能量并判断分子所属点群。3.采取Hartree-Fock方法和基函数优化C2H4分子结构，计算分子总能量并判断分子所属点群。/10/10第140页数据处理分子分子总能量（Hartree）分子所属点群H2H2OC2H4/10/10第141页分光光度法测定蔗糖酶米氏常数试验目标：1.用分光光度法测定蔗糖酶米氏常数Km和最大反应速率Vmax。2.了解底物浓度与酶反应速率之间关系3.掌握分光光度计使用方法/10/10第142页试验原理

酶是由生物体内产生含有催化活性蛋白质。它表现出特异催化功效，所以叫生物催化剂。酶含有高效性和高度选择性，酶催化反应普通在常温、常压下进行。在酶催化反应中，底物浓度远远超出酶浓度，在指定试验条件时，酶浓度一定时，总反应速率随底物浓度增加而增大，直至底物过剩此时底物浓度不再影响反应速率，反应速率最大。

米切力斯（Michaelis）应用酶反应过程中形成中间络合物学说，导出了米氏方程，给出了酶反应速率和底物浓度关系：/10/10第143页米-曼氏方程：

Vmax.CSv=—————

CS

+Km

上式中v代表反应速度，Vmax代表最大反应速度,CS代表底物浓度，Km称为米氏常数。在指定条件下，对每一个酶反应都有特定Km值，与酶浓度无关，故其对研究酶反应动力学有主要意义。/10/10第144页（一）米氏常数定义由米-曼氏方程能够导出：（Vmax-v）〔S〕Km=———————

v当v=1/2Vmax时，Km=〔S〕。所以Km值为反应速度相当于最大反应速度二分之一时底物浓度。Km值是酶特征常数，含有重要应用价值。/10/10第145页（二）Km值应用1.判定酶种类

Km值是酶特征常数，在反应条件一定时，只与酶种类和底物性质相关，与酶浓度无关。不一样种类酶其Km值不一样，对于一个未知酶，可在要求条件下测定其Km值加以判定。/10/10第146页一些酶Km值

酶底物Km(mmol/L)乳酸脱氢酶丙酮酸0.017己糖激酶D-葡萄糖0.05D-果糖1.5

-半乳糖苷酶D-乳糖4.0碳酸酐酶H2CO39.0过氧化氢酶H2O225蔗糖酶蔗糖28糜蛋白酶甘氨酰酪氨酰甘氨酸108/10/10第147页2.反应酶与底物亲协力Km值越大，酶与底物亲协力越小，Km值越小，酶与底物亲协力越大。

3.选择酶最适底物

Km值取决于酶种类和底物性质，在酶一定时，不一样底物有不一样Km值。酶活力测定时，应优先选择酶最适底物，使酶促反应轻易进行，并节约底物用量。/10/10第148页4.计算不一样底物浓度时酶促反应速度相当于最大反应速度比率依据米-曼氏方程能够计算5.设计适宜底物浓度

酶促反应进程曲线表明，只有初速度才能真正代表酶活性，普通要求初速度到达最大速度90%～95%、底物消耗率为1%～5%。这么既能够近似地表示酶活性，又不致于使底物浓度过高而造成浪费。/10/10第149页(三)Vmax应用定义：Vmax指酶完全被底物分子饱和时反应速度。应用：

Vmax可用来计算酶转化率（TN），即单位时间内每分子酶可使底物发生化学反应分子数，单位为分子数/秒。当反应速度到达最大反应速度时，假如已知酶量，则可计算出酶转化率：

TN=底物转化量（mol/s）/酶量（mol）/10/10第150页(四)Km和Vmax测定为了求得Km值，可用双倒数作图法

1Km+〔S〕Km11——=—————=———·——+———vVmax〔S〕Vmax〔S〕Vmax以1/V为纵坐标，1/[S]为横坐标作图，所得直线截距1/Vmax，斜率是Km/Vmax，直线与横坐标交点为-1/Km.

/10/10第151页

本试验用蔗糖酶是一个水解酶，它能使蔗糖水解成葡萄糖和果糖。该反应速率能够用单位时间内葡萄糖浓度增加来表示，葡萄糖与3,5-二硝基水杨酸共热后被还原成棕红色氨基化合物，在一定浓度范围内，葡萄糖量和棕红色物质颜色深浅程度成一定百分比关系，所以能够用分光光度计来测定反应在单位时间内生成葡萄糖量，从而计算出反应速率。所以测量不一样底物（蔗糖）浓度对应反应速率，就可用作图法计算出米氏常数值Km。/10/10第152页试验步骤

1.蔗糖酶制取。称取10g即发干酵母配成10%溶液，摇匀静置5~6小时后，以3000转离心30min，取出上层清液，为粗制酶液,用软木塞将瓶口塞住，放入37℃恒温箱中保温60h。2.溶液配制。（１）0.1%葡萄糖标准液（1mg/mL）：先在90℃下将葡萄糖烘1h，然后准确称取1g于100ml烧杯中，用少许蒸馏水溶解后，定量移至1000ml容量瓶中。（2）3,5-二硝基水杨酸试剂（即DNS）：6.3gDNS和262ml

2mol/LNaOH加到酒石酸钾钠热溶液中（182g酒石酸钾钠溶于500ml水中），再加5g重蒸酚和5g亚硫酸钠，微热搅拌溶解，冷却后加蒸馏水定容到1000ml，贮于棕色瓶中备用。（3）0.1mol/L蔗糖液：准确称取34.2g蔗糖溶解后定容至1000容量瓶中。/10/10第153页3.葡萄糖标准曲线制作。(本部分已由老师完成）

在9个50ml容量瓶中，加入不一样量0.1%葡萄糖标准液及蒸馏水，得到一系列不一样浓度葡萄糖溶液。分别吸收不一样浓度葡萄糖溶液1.0ml注入9支试管内，另取一支试管加入1.0ml蒸馏水，然后在每支试管中加入1.5mlDNS试剂，混合均匀，在沸水浴中加热5min后，取出以冷水冷却，每支内注入蒸馏水2.5ml，摇匀。在分光光度计上用540nm波长测定其吸光度。由测定结果作出标准曲线。/10/10第154页4.蔗糖酶米氏常数测定。

在９支试管中分别加入0.1mol/L蔗糖液、醋酸缓冲溶液，总体积达2ml，于35℃水浴中预热，另取预先制备酶液在35℃水浴中保温10min，依次向试管中加入稀释过酶液各2.0ml，准确作用5min后，按次序加入0.5ml2mol/LNaOH溶液，摇匀，令酶反应中停顿，测定时，从每支试管中吸收0.