凝固点降低法测定物质的相对分子质量

1华南师范大学实验报告学生姓名学号专业化学（师范）年级班级课程名称物理化学实验实验项目凝固点降低法测定物质的相对分子质量实验类型□验证□设计√综合实验时间2013年11月19日实验指导老师肖信实验评分【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、测定环己烷的凝固点降低值，计算萘的相对分子质量。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】物质的相对分子质量是了解物质的一个最基本且重要的物理化学数据，其测定方法有很多种。凝固点降低法测定物质的相对分子质量是一个简单又比较准确的方法，在溶液理论研究和实际应用方面都有重要意义。凝固点降低法是稀溶液的一种依数性，这里的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T*f下降，其降低值△Tf=T*f－Tf与溶液的质量摩尔浓度成正比，即△Tf=Kfm(1)式中，△Tf为凝固点降低值，m为溶液质量摩尔浓度，Kf为凝固点降低常数，它与溶液的特性有关。下表给出了部分溶剂的凝固点降低常数值。溶剂水醋酸苯环己烷萘纯溶剂凝固点Tf*/K273.15289.75278.65279.65383.5凝固点降低常数Kf/K·Kg·mol-11.863.905.1220.26.92若称取一定量的溶质WB(g)和溶剂WA(g)，配成稀溶液，则次溶液的质量摩尔浓度mB为：mB=[WB/(MBWA)]×103mol/kg(2)式中，MB为溶质的相对分子质量，将式(2)代入式(1)整理得MB=[(KfWB)/△TfWA]×103g/mol(3)若已知某溶剂的凝固点降低常数Kf值，通过实验测定此溶液的凝固点降低值△Tf，即可计算溶质的相对分子质量MB。通常测定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，绘制出步冷曲线，用外推法求得纯溶剂或稀溶液中溶剂的凝固点。通常测定凝固点的方法是将溶液逐渐冷却，使其结晶。但是，实际上溶液冷却到凝固点，往往并不析出晶体，这是因为新相形成需要一定的能量，故结晶并不析出，这就是所谓过冷现象。然后由于搅拌或加入晶种促使溶剂结晶，由结晶放出的凝固热，使体系温度回升。从相律看，溶剂与溶液的冷却曲线形状不同。对纯溶剂，固－液两相共存时，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)所示。对溶液，固－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，回升到最高点又开始下降，所以冷却曲线不出现水平线段此时应按图1(3)所示方法加以校正。（1）理想状态下的溶剂（2）有过冷的溶剂（3）有过冷的溶液【仪器和试剂】一、仪器：凝固点测定仪、贝克曼温度计、普通温度计、25mL移液管、3烧杯二、试剂：环己烷、萘【实验步骤】1、调整贝克曼温度计，调节冷却剂温度，使冷却剂温度约为4℃左右。2、溶剂凝固点测定：（1）用移液管向清洁、干燥的凝固点管内加入25mL环己烷，插入贝克曼温度计，不要碰壁与触底。（2）先将盛有环己烷的凝固点管直接插入寒剂中，均匀搅拌，使环己烷的温度逐渐降低，当冷到4℃左右，要快速搅拌，幅度尽可能小，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的示数，直到温度回升稳定为止，此温度即为环己烷的近似凝固点。（3）取出凝固点管，用手捂住管壁片刻，同时不断搅拌，使管中固体全部融化，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，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，取三次平均值。3、溶液凝固点的测定：取出凝固点管，如前将管中冰融化，称取约0.3g萘，自凝固点管支管加入样品，待全部溶解后，测定溶液的凝固点。测定方法与测定环己烷的相同。重复三次，取平均值。【数据处理】1、由环己烷的密度，计算所取环己烷的质量WA。环己烷的密度为0.779g/mL，所取体积V=25mL，故WA=0.779g/mL×25mL=19.475g2、数据记录：（1）环己烷第一次凝固：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃417.333196.48227.084206.48436.894216.48546.755226.48656.656236.48666.582246.48676.545256.48586.524266.48596.501276.468106.5286.464116.498296.47126.496306.472136.493316.469146.491326.463156.489336.456166.487346.446176.484356.442186.484作图得：5由图可得Tf1=6.527℃（2）环己烷第二次凝固：作图得：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃18.367206.72728.25216.67338.143226.61348.029236.55457.921246.50267.819256.4577.719266.42887.627276.44797.545286.464107.457296.472117.369306.473127.285316.476137.204326.474147.129336.47157.053346.468166.984356.468176.915366.464186.849376.465196.7916由图可得Tf2=6.501℃（3）环己烷第三次凝固：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃17.382126.48127.18136.47736.9146.47446.793156.47156.634166.46966.539176.46776.504186.46486.495196.46296.491206.46106.487216.457116.485作图得：7由图可得Tf3=6.524℃（4）环己烷第四次凝固：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃17.429166.47927.209176.47737.048186.47646.9196.47456.788206.47366.698216.46976.623226.46886.566236.46796.524246.467106.495256.466116.489266.465126.488276.465136.485286.464146.481296.461156.481306.457作图得：8由图可得Tf4=6.500℃四次取平均值为：Tf=6.513℃（5）溶液第一次凝固：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃15.532114.90425.451124.85535.379134.80145.285144.76255.203154.71765.155164.68175.096174.6585.046184.62694.998194.588104.948作图得：9由图可得Tf1*=4.626℃（6）溶液第二次凝固（第二组数据由于实验过程中发现水温不够，所以丢弃第二组数据）：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃15.343144.68425.268154.64835.202164.60845.159174.57755.093184.53965.048194.46174.998204.42584.945214.41894.879224.385104.836234.257114.794244.12124.73253.996134.698作图得：10由图可得Tf2*=4.425℃（7）溶液第三次凝固：时间/10s温度/℃时间/10s温度/℃15.603144.89525.524154.84735.447164.81845.381174.78655.327184.75865.263194.71875.202204.69185.15214.66795.101224.635105.051234.62115.013244.594124.974254.581134.935264.565作图得：11由图可得Tf3*=4.594℃三次取平均值为：Tf*=4.548℃3、根据式(3)，计算萘的分子量：MB=[(KfWB)/△TfWA]×103g/mol=[20.2/K·Kg·mol-1×0.3616g)/(6.513-4.548)K×19.475g]×103g/mol=190.87g/mol经查阅，萘的摩尔质量理论值为128.17g/mol，相对误差为48.9%。【结果与讨论】1、本次实验测得萘的摩尔质量为190.87g/mol，理论值为128.17g/mol，相对误差为48.9%。误差相对较大。2、实验失败的最大因素可能是搅拌。搅拌速度的控制和温度温差仪的粗细调的固定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。但实验过程中没有注意到这点，由搅拌磁子在里面搅拌，整个实验过程基本保持搅拌速度一致，导致实验失败。3、溶液的冷却曲线与纯溶剂的冷却曲线不同，不出现平台，只出现拐点，即当析出固相，温度回升到平衡温度后，不能保持一定值，因为部分溶剂凝固后，余溶液的浓度逐渐增大，平衡温度要逐渐下降。4、每次实验测量之差不应超过0.006摄氏度，但从实验数据来看，测量的过程并不理想，这可能与仪器灵敏度有关，也与加入的溶质的量、搅拌速率有关。5、测定溶液凝固点时，由图可知图线并不理想，凝固点不易测出，只能通过仔12细观察对比原数据的变化来确定凝固点的值，这个确定过程中会有一定偏差。影响本次实验的原因可能还有加入的萘的质量，溶质的加入量过多，溶液的凝固点降低太多，析出溶剂晶体后，溶液的浓度变化大，凝固点也随之降低，不易准确测定其凝固点。【思考题】1．测定凝固点时，纯溶剂温度回升后有一恒定阶段，而溶液没有，为什么？答：由于随着固态纯溶剂从溶液中的不断析出，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，在步冷曲线上得不到温度不变的水平段，只出现折点2．根据什么原则考虑加入溶质的量？太多或太少影响如何？答：溶质的加入量过多，溶液的凝固点降低太多，析出溶剂晶体后，溶液的浓度变化大，凝固点也随之降低，不易准确测定其凝固点。过少，溶液的凝固点降低少，相对测定误差也大。3．在凝固点降低法测定摩尔质量实验中，当溶质在溶液中有离解，缔合和生成络合物的情况下，对摩尔质量的测定值各有什么影响？答：用过冷法测分子质量靠的是依数性。即依靠溶质在溶液中粒子的数目。注意，依靠的是粒子的数目而不是分子的数目。如果发生缔合或解离，自然是导致所测得的粒子所并不等同于分子数，那测出来的相对分子质量自然有偏差。解离使粒子数增多，表观上是分子数增加，于是测得的分子量变小。缔合和生成络合物使粒子数减少，于是测得的分子量比实际的要大。4．溶液浓度太浓或太稀对实验结果有什么影响？为什么？答：凝固点降低法是稀溶液的一种依数性，太浓则不是稀溶液，此法对浓溶液不适用；太稀会导致凝固点下降值太小，误差大。5．搅拌速度过快和过慢对实验有何影响？13答：在温度逐渐降低过程中，搅拌过快，不易过冷，搅拌过慢，体系温度不均匀。温度回升时，搅拌过快，回升最高点因搅拌热而偏听偏高；过慢，溶液凝固点测量值偏低。所以搅拌的作用一是使体系温度均匀，二是供热（尤其是刮擦器壁），促进固体新相的形成。6．为什么要初测物质的凝固点?答：防止过冷出现，节省时间7．测定溶液的凝固点时析出固体较多，测得的凝固点准确吗？答：不准确，因为溶液的凝固点大小随着溶剂的析出而不断下降。析出的固体多会使凝固点下降的多，变大，所测会偏小。【参考文献】[1]何广平南俊民等物理化学实验.北京：化学工业出版社，2008[2]付献彩、沈文霞、姚天扬，《物理化学》，第四版，上册