凝固点降低法测摩尔质量

实验一凝固点降低法测摩尔质量华南师范大学物理化学研究所孙艳辉实验一凝固点降低法测摩尔质量实验目的实验原理仪器和试剂实验步骤数据处理评注与拓展提问思考实验目的(1)明确溶液凝固点的定义及获得凝固点的正确方法；(2)测定水的凝固点降低值，计算蔗糖的分子量。(3)掌握凝固点降低法测分子量的原理，加深对稀溶液依数性的理解。(4)掌握贝克曼温度计的使用方法。实验原理凝固点降低是稀溶液的一种依数性。凝固点是指在一定压力下，溶液中纯溶剂开始析出的温度。由于溶质的加入，使固态纯溶剂从溶液中析出的温度Tf比纯溶剂的凝固点Tf*下降，其降低值ΔTf=Tf*-Tf与溶液的质量摩尔浓度成正比，即实验原理Tf*：纯溶剂A的凝固点;Tf：溶液的凝固点ΔTf：为凝固点降低值;mB：质量摩尔浓度Kf:凝固点降低常数，单位为K•kg•mol-1MB:溶质B的摩尔质量;m2溶质质量(g)；m1溶剂质量(g)100012BmTmKMff)(=-=Δ*BmKTTTffff实验原理通常测凝固点的方法有平衡法和贝克曼法（或步冷曲线法）。本实验采用后者。其基本原理是将纯溶剂或溶液缓慢匀速冷却，记录体系温度随时间的变化，绘出步冷曲线（温度-时间曲线），用外推法求得纯溶剂或稀溶液中溶剂的凝固点。实验原理-过冷法图1-1（1）纯液体的冷却曲线图1-1（2）溶液的冷却曲线实验原理纯溶剂步冷曲线：纯溶剂逐步冷却时，体系温度随时间均匀下降，到某一温度时有固体析出，由于结晶放出的凝固热抵消了体系降温时传递给环境的热量，因而保持固液两相平衡，当放热与散热达到平衡时，温度不再改变。在步冷曲线上呈现出一个平台；当全部凝固后，温度又开始下降。从理论上来讲，对于纯溶剂，只要固液两相平衡共存，同时体系温度均匀，那么每次测定的凝固点值应该不变。但实际上由于过冷现象存在，往往每次测定值会有起伏。当过冷现象存在时，纯溶剂的步冷曲线如图1-1（1）所示。即先过冷后足够量的晶体产生时，大量的凝固热使体系温度回升，回升后在某一温度维持不变，此不变的温度作为纯溶剂的凝固点。实验原理稀溶液的步冷曲线：稀溶液凝固点测定也存在上述类似现象。没有过冷现象存在时，溶液首先均匀降温，当某一温度有溶剂开始析出时，凝固热抵消了部分体系向环境的放热，在步冷曲线上表现为一转折点，此温度即为该平衡浓度稀溶液的凝固点，随着溶剂析出，凝固点逐渐降低。但溶液的过冷现象普遍存在。当某一浓度的溶液逐渐冷却成过冷溶液，通过搅拌或加入晶种促使溶剂结晶，由结晶放出的凝固热抵消了体系降温时传递给环境的热量，当凝固放热与体系散热达到平衡时，温度不再回升。此固液两相共存的平衡温度即为溶液的凝固点。实验原理但过冷太厉害或寒剂温度过低，则凝固热抵偿不了散热，此时温度不能回升到凝固点，在温度低于凝固点时完全凝固，就得不到正确的凝固点。上述也可从相律分析，溶剂与溶液的冷却曲线形状不同。对纯溶剂两相共存时，自由度f*=1-2+1=0，冷却曲线出现水平线段，其形状如图1-1(1)所示。对溶液两相共存时，自由度f*=2-2+1=1，温度仍可下降，但由于溶剂凝固时放出凝固热，使温度回升，但回升到最高点又开始下降，所以冷却曲线不出现水平线段，如图1-1(2)所示。由于溶剂析出后，剩余溶液浓度变大，显然回升的最高温度不是原浓度溶液的凝固点，严格的做法应作冷却曲线，并按图1-1(2)中所示方法加以校正。但由于冷却曲线不易测出，而真正的平衡浓度又难于直接测定，实验总是用稀溶液，并控制条件使其晶体析出量很少，所以以起始浓度代替平衡浓度，对测定结果不会产生显著影响。仪器和试剂凝固点测定仪1套烧杯2个数字式贝克曼温度计1台放大镜1个普通温度计(0℃～50℃)1只压片机1个移液管(50mL)1只蔗糖(AR)粗盐(AR)实验步骤1.纯水凝固点的测定2.蔗糖-水溶液凝固点的测定(1)调节寒剂(冷却剂)的温度取适量粗盐与冰水混合，使寒剂温度为-2℃～-3℃，在实验过程中不断搅拌，使寒剂保持此温度。(2)溶剂凝固点的测定1)仪器装置如图1-2所示。用移液管向清洁、干燥的凝固点管内加入50mL纯水，并记下水的温度，插入贝克曼温度计探头，不要碰壁与触底。2)先将盛水的凝固点管直接插入寒剂中，均匀搅拌，使水的温度逐渐降低，当冷到0.7℃以后，要快速搅拌(以搅棒下端擦管底)，幅度要尽可能的小，待温度回升后，恢复原来的搅拌速度，同时观察贝克曼温度计读数，直到温度回升稳定为止，此温度即为水的近似凝固点。实验步骤1.纯水凝固点的测定实验步骤3)取出凝固点管，用手捂住管壁片刻，同时不断搅拌，使管中固体全部熔化，将凝固点管放在空气套管中，缓慢搅拌，使温度逐渐降低，当温度降至近似凝固点时，自支管加入少量晶种，并快速搅拌(在液体上部)，待温度回升后，再改为缓慢搅拌。直到温度回升到稳定为止，记下稳定的温度值，重复测定三次，每次之差不超过0.006℃，三次平均值作为纯水的凝固点。实验步骤2溶液凝固点的测定取出凝固点管，如前将管中冰溶化，用压片机将蔗糖压成片，用分析天平精确称重(约0.5g)，自凝固点管的支管加入样品，待全部溶解后，测定溶液的凝固点。测定方法与纯水的相同，先测近似的凝固点，再精确测定，但溶液凝固点是取回升后所达到的最高温度。重复三次，取平均值。用同样的方法测定重量近似的第二片蔗糖片形成的溶液的凝固点。凝固点测定装置数据处理1.分别将纯水，蔗糖-水溶液的凝固点测定结果列于下表中。t(min)0.511.522.5……温度2.以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出冷却曲线图，求出Tf*，Tf及Tf。3.计算蔗糖的摩尔质量M实验评注与拓展本实验成功的关键点有下述几方面：（1）搅拌速度的控制是做好本实验的关键，每次测定应按要求的速度搅拌，并且测溶剂与溶液凝固点时搅拌条件要完全一致。(2)寒剂温度对实验结果也有很大影响，过高会导致冷却太慢，过低则测不出正确的凝固点。(3)纯水过冷度约0.7℃～1℃(视搅拌快慢)，为了减少过冷度，而加入少量晶种，每次加入晶种大小应尽量一致。实验评注与拓展拓展：凝固点降低时稀溶液的依数性质，降低值的多少直接反映溶液中溶质有效质点的数目。如果溶质在溶液中有解离、缔合、溶剂化和生成络合物等情况，均影响溶质在溶剂中的表观分子量。因此，凝固点降低法还可用来测定弱电解质的电离度、溶质的缔合度、活度及活度系数等。另外，利用凝固点降低这个性质，在科研中还可用来鉴定物质的纯度及求物质的熔化热；在冶金领域还可配制低熔点合金。提问与思考(1)为什么要先测近似凝固点？(2)根据什么原则考虑加入溶质的量？太多或太少影响如何？(3)测凝固点时，纯溶剂温度回升后有一恒定阶段，而溶液则没有，为什么？(4)溶液浓度太稀或太浓对实验结果有什么影响？为什么？(5)若溶质在溶液中产生离解、缔合等现象时，对实验结果有何影响？(6)试分析引起实验误差的最主要的原因是什么？