凝固点降低法测定物质摩尔质量实验的改进
荣华佟拉嘎徐中波
(北京石油化工学院化学工程学院北京102617)
摘要通过实验试剂的选择和引进凝固点测定软件对凝固点降低法测定物质摩尔质量的实
验进行改进。选用水作溶剂测定尿素的摩尔质量,解决了环保问题;使用凝固点测定软件,使实验
过程通过电脑绘制步冷曲线,降低了人为误差,实验结果的精确度明显提高。
为解决凝固点降低法测定物质摩尔质量实验存在的缺点,应着重解决以下3个问题: (1) 从绿色化学的理念出发,寻找合适的溶剂替代苯和萘。(2)应注意实验中溶液的温度变化不
够直观,过冷程度不易控制的问题;同时为了减少人为因素对实验结果造成的影响,可使用电脑软件。(3)注意因晶种的选择不当,引起系统浓度改变而对实验结果造成的影响。
本文针对以上问题,对该实验进行了改进。
1实验装置和测量方法的改进
选择了若干种试剂为溶剂或溶质,作对比实验,从中选用了水-尿素(AR,Mr=60. 06)作
为实验测量系统,并对实验进行了改进。
图1改进后的内管橡胶塞构造
1. 1凝固点测量内管橡胶塞的改造
在橡胶塞上钻一个小孔,穿入细铁丝,铁丝的下端系上
经过小孔可以上下提拉的宽5mm,长2cm的小铜片,当发生
过冷时把小铜片伸入溶液中。见图1。
铜的导热性能好,在精确测定水凝固点的过程中,在粗
测凝固点以下0. 2℃时开始搅拌溶液同时迅速放入铜片,铜
片迅速吸热降温,铜片周围水的温度回升,打破过冷水的亚
稳状态,使水中有固体析出,其作用与投核方法[1]类似。该
方法容易操作且能有效地防止溶液的严重过冷现象发生。
可重新熔融反复测量,并能解决投核后使系统浓度改变的问题。
1. 2以凝固点测定软件取代手绘步冷曲线
引用凝固点测定软件,使实验过程与绘制步冷曲线同步进行,从步冷曲线可直接观察溶液的冷却温度,以便更好地控制溶液的过冷程度,及时放入铜片。实验结果的精确度明显提高。2实验部分
(1)在外桶温度为-6℃的加盐冰水浴环境里绘制水和尿素水溶液的步冷曲线如图2、图40
图2水的步冷曲线
图3尿素水溶液的步冷曲线
(2)用改进后的凝固点测定装置,选择不同溶剂或溶质作对比实验。使用电脑软件处理数据后的结果见表1。
3结果分析
(1)选择不同试剂作对比实验。从表1看出,用苯作溶剂测萘摩尔质量的相对误差为
1. 53%;用水作溶剂测尿素、蔗糖、葡萄糖摩尔质量的相对误差分别为0. 50%、1. 27%、4. 60%。从这些数据可以看出,测尿素摩尔质量的实验计算值与理论值相对误差为最小。作凝固点测定系统比较合适。
(2)使用电脑软件绘制步冷曲线和处理数据,可使实验精确度明显提高,降低了人为因素带进的误差。从表1看出,实验值与理论值相对误差不超过4. 60%,尤其是尿素摩尔质量的实验计算值与理论值相对误差仅为0. 50%。
(3)水作溶剂测尿素的摩尔质量这一实验的重现性好,这一结论在学生推广实验中已得到证实。
4结论
用改进方法测定尿素凝固点摩尔质量的实验操作比常规的投核操作简单易行,速度快,可反复测量,重现性好,并能解决环保问题。在实验中使用了电脑软件,使实验过程直观,并使实验结果精确度明显提高。
凝固点降低法测定摩尔质量实验方法改进
丁原菊刘庆阳
(山东大学化学与化工学院山东济南250100)
摘要以差示扫描量热法(DSC)测定环己烷溶液的凝固点降低值。在降温速率1℃·min-1、
氮气气氛下,测定了叔丁醇和甘油的环己烷溶液的凝固点降低值,计算了两种物质的摩尔质量,误
差在10%之内。
在物理化学实验教学过程中,热力学实验包括燃烧热的测定和差热分析的内容,有些能够进行差热分析的仪器同时还可以进行差示扫描量热法(DSC)的实验[1]。差示扫描量热法(DSC)可以测定纯物质的熔点、熵变和焓变,还可以计算固相反应的活化能和反应级数[2];凝固点降低法测定摩尔质量是经典的物理化学本科教学实验,可以帮助学生理解非电解质稀溶液的依数性,但操作较为复杂。差示扫描量热法作为一种操作简单的仪器分析方法,已经广泛应用在物理化学实验、仪器分析实验和高分子化学的课程教学中。本文采用差示扫描量热法测定了叔丁醇和甘油的环己烷溶液的凝固点降低值,误差在10%之内。结果表明,差示扫描
量热法可以代替传统实验操作,来测定化合物的摩尔质量。
1实验
1. 1仪器和药品
Mettler-ToledoDSC 822e差示扫描量热仪;环己烷、甘油和叔丁醇均为分析纯。
1. 2实验条件
降温速率: 1℃·min-1;气氛:氮气;参比物:三氧化二铝。
1. 3测定
1. 3. 1溶剂凝固点测定
仪器使用前先进行温度和灵敏度的校正。称取10mg左右的环己烷样品,放在坩埚中密封,并打一个0. 3mm左右的小孔,测定环己烷的凝固点为6. 10℃,与环己烷凝固点的理论值6. 55℃相比较,误差为6. 87%。
1. 3. 2溶液凝固点测定
用同样方法测定了异丁醇和甘油的环己烷溶液的凝固点,数据列于表1。图1是采用DSC测定3种溶液的凝固点图。
1. 3. 3摩尔质量的计算
由公式[3]MB=KfmBΔtfmA×10-3(Δtf为凝固点降低值,溶质和溶剂的质量分别为mB 和mA,
MB为溶质的摩尔质量),计算出叔丁醇与甘油的摩尔质量,数据列于表2。
2结果与讨论
表3是常见的几种物质的凝固点降低常数和凝固点。由表3数据可以看出,环己烷的Kf
值较大。由于差示扫描量热法只需微量的样品,考虑到实验的重现性和数据的可处理性,故选择环己烷作为溶剂。
由于样品是液体,在实验过程中会挥发,所以坩埚的微孔和样品质量对实验结果影响较
大。实验结果表明:当微孔直径为0. 3mm,样品质量为10mg左右时,实验结果的重复性和精度最好。
总之,采用差示扫描量热法(DSC)法测定凝固点降低值,样品用量少,重现性较好,误差在10%之内。可以应用于实际教学中。
5结论
使用传统的数据处理方法,代入的α∞与拟合得到的α∞有一定差异,可信度差。同样盐酸
浓度和温度条件下得到的速率常数差异也很大[7, 8, 10],而且不能克服小范围内温度变化的影
响。特别是Guggenheim数据处理方法,微小温度变化将使数据处理结果毫无意义。采用外推求α0,可以准确确定α∞;采用二次曲线拟合,可以得到准确结果;同时可以计算实验过程中温
度的影响,使学生进一步理解温度对化学反应速率常数的影响。