物 理 化 学 实 验

物理化学实验南京医科大学药学院化学系1物理化学实验目录绪论2实验一粘度法测定高聚物分子量5实验二蔗糖的转化一准一级反应10实验三丙酮碘化一复杂反应15实验四中和热的测定一恒压量热法19实验五异丙醇一环己烷体系的气一液平衡相图22实验六苯——醋酸——水三元相图262绪论物理化学实验是化学系学生的一门重要的基础实验课，它综合了化学领域各分支所需要的基本研究工具和方法，它与物理化学和结构化学课程紧密配合，但又是一门独立的，理论性、实践性和技术性很强的课程。物理化学实验的目的是：让学生验证并巩固和加深对物理化学实验的基本知识和方法，训练使用仪器的操作技能，培养学生观察现象、正确记录和处理数据的能力。通过实验训练，提高学生分析问题和独立工作的能力。物理化学实验课的基本任务是：通过讲授和实验，使学生了解并掌握物理化学实验中最基本的实验技术，比较系统地掌握物理化学实验的基本技能，为日后的教学工作和科学研究工作打了初步的基础。进行物理化学实验，一般要经过预习、实验操作、写实验报告三个环节。具体要求是：一、预习物理化学实验自身的特点，要求学生在实验前必须充分预习。要仔细阅读实验教材以及每个实验的预习要求中所指定的资料。了解实验目的，掌握原理，明确需要进行哪些测量，记录哪些数据，明确实验中每一步如何进行以及为什么这样做。必要时，需到实验室对照仪器预习，了解实验仪器的构造及操作方法。在充分预习的基础上写出预习报告，扼要写明实验目的、操作方案、注意事项、记录方案或表格等项目。二、实验操作动手操作(包括观察、思维和记录)，是物理化学实验的中心环节．实验过程中应认真、细致，严格按操作规程进行。记录数据要完全、准确、整齐、清楚，所有数据必须记在记录本上。实验结束，应将数据交教师审阅，若不合格要重做或补做。保持实验室的安静和清洁，严格遵守实验室规则和安全守则。保护仪器，节约药品，实验结束后要仔细清洗仪器，将所有电器开关复原。3三、写实验报告写实验报告，一方面是向教师报告实验结果和对结果的分析，从而体现实验者的劳动成果，同时可以培养学生正确有效的写作能力，正确分析、归纳、总结和表达实验结果，还可以加深对实验原理和实验设计思想的理解，实现认识的新飞跃。因此，做完每一个实验必须认真写好实验报告。实验报告的内容，—般包括目的、简单原理、实验数据、数据处理以及讨论等。数据处理，应弄清其原理、方法和步骤、计算公式及应用的单位，仔细进行计算，正确作图，正确表达结果。实验报告必须各人独立完成，各有自己的风格，要用简炼的语言，完整地表达所要说明的问题．实验报告，既要有一定的格式，又要避免—般化。对于实验目的和原理，要用自己的语言作扼要的叙述．一般的操作可以简略叙述，而写上关键性的操作。对于较复杂或较重要的实验则应写详细些，并作较深入的讨论。4实验一粘度法测定高聚物分子量一.目的1．测定聚乙二醇的粘均分子量2．掌握乌氏（ubbelohde）粘度计测定粘度的方法二.原理1．分子量是高聚物基础数据，在了解聚合作用的进程，反应机理以及叙述聚合物成品的规范时，都需要测定分子量。高聚物的分子量一般地说其大小在103-107之间，高聚物通常是许多聚合度不同的分子的混合物，因此高聚物分子量只有统计意义，按不同的统计方法，可以有各种含意不同的分子量，如重量平均分子量，粘度平均分子量等等。对线型高聚物分子量的测定方法有以下几种，其实用的分子量（M）的范围如下：端基分析M＜3×104沸点升高、凝固点降低、等温蒸馏M＜3×104渗透压M=104-106光散射M=104-107超离心沉降及扩散M=104-107上述方法除端基分析外，都需要较复杂的仪器和操作技术。另外还有一种粘度法，此法最为简单快速，且有相当好的准确度，适用分子量的范围为M=104-107，只有这种方法是间接测定分子量的方法，它利用高分子溶液的特性粘度和分子量间的经验方程来计算分子量，而这种特性粘度和经验方程式中的常数是要用其他方法来确定的，高聚物不同，溶剂不同，分子量范围不同，就要用不同的经验方程式。高聚物溶液的粘度一般比纯溶剂的粘度0大得多，粘度增加的分数叫增比粘度sp。100rsp（1）式中r＝/0称为相对粘度，以表示溶液粘度对溶剂粘度的相对值，是溶液整体的粘度行为，包括溶剂分子间的内摩擦，高聚物分子和溶剂间的内摩擦。而sp则意味着已扣除了溶剂分子间的这部分粘度行为。故sp随溶液中高聚物粘度的增加而增大，为了便于比较，Staudinger建议用单位浓度下的增比粘度即csp来做高聚物分子量的量度（c为浓度）。csp称作比浓粘度，其数值随浓度c的表示方法而异，也随溶液的浓度而改变，当溶液无限稀释时，各个高聚物分子彼此相距极远，相互干扰可忽略不计，此时溶液所呈现的粘度主要是反应了高聚物分子和溶剂分子之间的内摩擦。实验表明当浓度c趋近零时，比浓粘度趋近一固5定的极限值[]，[]称为特性粘度，即][lim0cspc（2）[]值可利用csp－c图由外推法求得。当c趋近零时，crln的极限值也是[]。这是因为当浓度c不大时：)31211()1ln(ln2spspspsprccc可以忽略高次项，即得][limlnlim00ccspcrc（3）在适当的浓度范围内，根据实验csp或crln和c之间存在经验关系式：ckcsp2]['][（4）ccr2][][ln（5）这是两条直线方程，以csp或crln对c（见图1）得两条直线，外推至c＝0时，两条直线交纵坐标轴于一点，即可求得[]数值。[]的单位是浓度单位的倒数，随溶液浓度的表示法不同而不相同，文献中常用100毫升溶液内所含高聚物的克数浓度单位，我们用克/毫升为浓度单位。[]和高聚物的分子量的关系，用下面的经验方程表示：Mk][（6）M就是粘均分子量，对于确定的高聚物一溶剂体系，在一定的温度下，K为一比例常数，是与溶液中高分子形态有关的经验参数，K和的数值都要由其它实验方法定出，由于确定常数的方法不同，各方法的准确度和图1外推法求[η]平均分子量不同，因而K和的数值有时也略有出入，下表为常用的几个数值：6高聚物溶剂温度K聚苯乙烯苯20℃1.23×10－20.72甲苯25℃3.70×10－20.62聚乙烯醇水25℃2.0×10－20.76聚乙二醇水25℃1.56×10－20.52.溶液的粘度。测定粘度的方法主要有毛细管法、转筒法和落球法，在测定高聚物溶液的特性粘度[]时，以毛细管法最为简便，当液体自垂直的毛细管中因重力作用而流出到达稳态时，促使其流动的力（重力）与阻止其流动的力（内摩擦）相等时，Poisenille推导出下列公式：lVthdgrlVtpr8844（7）式中p－当液体流动时在毛细管两端间的压力差（此处就是液体的密度d，重力加速度g和流经毛细管液体的平均液柱高度h这三者的乘积）r――毛细管的半径；l――毛细管的长度；v――流经毛细管的液体体积t――流出的时间用同一根粘度计在相同的条件下测定溶液和纯溶剂的粘度时，它们的相对粘度就等于密度与流出时间的乘积之比。00000000rAttptdtAttptdt（8）如果溶液的粘度不大（c1×10－2g/ml）,则溶液的密度d与溶剂的密度d0可近似地看作相等，故有：00ttr（9）因此只要测定t和t0，就可以求出r。三．仪器和药品恒温槽1套乌氏粘度计1支停表1只有塞锥形瓶（100ml）1只容量瓶（25ml）1只移液管5ml2只移液管1只7小滴管1只洗耳球（或注射器）1只乳胶管2根重锤1只万用夹三只弹簧夹2只聚乙二醇洗液图2乌氏粘度计四．实验步骤：1.将恒温槽调节到25.0±0.1℃，在有塞锥形瓶中加入约80ml蒸馏水放入恒温槽备用。2．配置高聚物溶液准确称取聚乙二醇约1g，放在25ml容量瓶中配成水溶液。配溶液时，先加入溶剂至容量瓶的2/3，待其全部溶解后放入恒温槽，恒温10min，再加入同一恒温槽中已恒温的蒸馏水到刻度。3．洗涤粘度计，先用热的洗液浸泡，再用自来水洗，蒸馏水冲洗干净。4．测定不同浓度聚乙二醇的流出时间t。将粘度计垂直放入恒温槽中，用移液管将配置的聚乙二醇溶液10ml从A管注入粘度计，（注意不要加在A管壁上！）加紧C管上的乳胶管，用洗耳球从管上的乳胶管口抽取管内的液体，抽取时要使液体缓慢流出毛细管上升到G球的1/2处，然后打开C管，让空气进入可使连通器断路，即D管中的液体和毛细管液体断开，使毛细管流出的液体悬空，打开C管，稍停1～2min，再打开B管，当液面流经刻度a时，立刻按下停表开始记录时间，到液面降到b刻度时，再按停表，此即溶液的流出时间t，再测两次，时间误差不能超过0.3秒。然后依次用移液管加入恒温的蒸馏水5ml、5ml、10ml、10ml于粘度计中，每加一次溶剂，用洗耳球从C管鼓气搅拌均匀，并将溶液抽上流下2～3次冲洗毛细管，然后静置2～3min，用同法测定不同浓度的溶液流经毛细管的时间，每个浓度测三次。5．测定溶剂流出时间t0取出粘度计，倒出溶液，用蒸馏水洗涤。用移液管加入纯溶剂10ml，同上法测定其流经时间t0，也测三次。实验完毕，粘度计应用洁净蒸馏水浸泡或倒置使其晾干。在倒置干燥以前，粘度计内壁必须彻底洗净，以免所剩高聚物在毛细管壁内形成薄膜。8流出时间/(秒)r=t/t0lnrlnr/c’spsp/c’第一次第二次第三次平均值1溶液10ml溶剂0ml相对浓度c’＝12溶液10ml溶剂5ml相对浓度c’＝2/33溶液10ml溶剂5ml相对浓度c’＝1/24溶液10ml溶剂10ml相对浓度c’＝1/35溶液10ml溶剂10ml相对浓度c’＝1/4纯溶剂（10ml）五．数据处理1.将所测数据列表如下：试样名称溶剂名称溶液起始浓度C1g/100ml恒温槽温度2.作'lncr－c’及'csp－c’线性外推求出截距A，以A值除以c1即得[]。][lnlimlim100cAccrcspc9而每次溶液的实际浓度c＝c’c1,代入上式得：3．求聚乙二醇的粘均分子量，所得的相对误差不能超过15％。78.04M1056.102.0][－六．思考题1．乌氏粘度计中支管c有何作用？除去支管c是否仍可测定粘度？2．乌氏粘度计的毛细管太粗或太细，有什么缺点？3．利用粘度计测定高聚物分子量的局限性是什么？适用的分子量范围是多少？4．特性粘度[]就是无限稀释时的比浓粘度，它和纯溶剂的粘度0是否一样？七．参考资料1．钱人元等，《高分子化合物分子量的测定》，科学出版社，1958。2．施良和，化学通报，1961，5：276。3．钱人元，化学通报，1955，7：396。10实验二蔗糖的转化――准一级反应一．目的：1．测定蔗糖转化的反应速率常数，半衰期和活化能。2．了解该反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。3．了解旋光仪的基本原理，掌握旋光仪的正确的操作技术。二．原理：蔗糖转化的反应式为：C12H22O11＋H2OHC6H12O6＋C6H12O6（蔗糖）（葡萄糖）（果糖）在纯水中，此反应的速度极慢，通常需在氢离子的催化作用下进行，该反应原应为一个二级反应，但由于水是大量存在的，尽管有部分水参加了反应，仍可以认为反应过程中水的浓度是恒定的，因此，蔗糖的转化反应可看作为一级反应。一级反应的反应速度方程可由下式表示：AAkCdtdC（1）式中：K为反应速率常数，CA为反应时间t时的反应物浓度。（1）式积分得：lnCA＝－kt＋lnCA0（2）式中CA0为反应时蔗糖的浓度，当CA＝1/2CA0时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期：kkt693.02ln21（3）蔗糖及其转化产物都含有不对称的碳原子，它们都具有旋光性。但是它们旋光能力不同，故可以利用体系在反应过程中旋光度的变化来量度反应的进程。测量旋光度所用的仪器称为旋光仪，溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质之旋光能力，溶剂性质、溶液的浓度、样品管长度、光