“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”實驗的改進(jìn)研究

趙漢民

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 5 3 2 2 0 0）

“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”實驗的改進(jìn)研究

趙漢民

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 5 3 2 2 0 0）

文章對“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”實驗的改進(jìn)進(jìn)行了研究：使用環(huán)己烷作溶劑和沸石以控制過冷度；使用新裝置以控制寒劑與被測液間的溫差；使用微機輔助實驗記錄結(jié)果.改進(jìn)后實驗表明：測定結(jié)果準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好.實驗幾乎不受實驗室溫度及濕度影響，操作簡便、安全，省時.

摩爾質(zhì)量；凝固點降低；改進(jìn)

1 前言

物質(zhì)的摩爾質(zhì)量是一個重要的物理化學(xué)數(shù)據(jù)，其測定方法有許多種.“凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量”是其中方法之一，它在實驗和溶液理論的研究方面都具有重要意義.1 8 8 8年，E.B e c k m a n n首先設(shè)計出了精確測量裝置以后，成就了這經(jīng)典實驗，迄今為止幾乎所有物理化學(xué)實驗教科書中都有這個實驗[1].隨著科技的進(jìn)步，“凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量”的測定技術(shù)也在不斷的改進(jìn).[2,3,4]

2 0 0 2年之前，筆者在“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”教學(xué)實驗中，依據(jù)所使用的不同教材先后采用了E.B e c k m a n n裝置及南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所的F P D—2 A凝固點測量裝置[5]，學(xué)生的實驗結(jié)果很不理想，測得萘的摩爾質(zhì)量在9 3.6 4 g.mol-1～1 1 7.0 6 g.mol-1之間，與文獻(xiàn)值1 2 8.1 1 g.mol-1差距很大.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些裝置測定凝固點的準(zhǔn)確度，受實驗室溫度及濕度的影響較大.2 0 0 2年，筆者對“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”實驗進(jìn)行了裝置改進(jìn)，實驗取得了很好的效果.在2 0 0 2年后，筆者及其他后來上物化實驗課的老師使用改進(jìn)后的裝置進(jìn)行“凝固點降低法測定萘的摩爾質(zhì)量”教學(xué)，均取得良好的教學(xué)效果.

2 原測量裝置之缺點

2.1 寒劑溫度調(diào)整操作復(fù)雜，且難調(diào)整準(zhǔn)確

原來裝置使用的寒劑筒容積不夠大，能裝冰水僅約1 d m3，且與外界隔熱不好，當(dāng)實驗室溫度較高時，冰水能從外面吸熱，升溫很快，在實驗過程中須頻繁調(diào)整冰水溫度.調(diào)整冰水溫度時，操作相當(dāng)復(fù)雜，且難調(diào)整準(zhǔn)確.

2.2 實驗過程被測液能混入雜質(zhì)，測定結(jié)果誤差較大

原來裝置的溫差探頭或攪拌棒插孔有明顯間隙，實驗過程導(dǎo)致空氣混入，當(dāng)實驗室濕度較大時，被測液吸收空氣中水蒸氣，混入了雜質(zhì)水，又玻璃套管與凝固點管之間空間過大，被測液與冰水間的熱交換速率低，導(dǎo)致被測液降溫很慢，實驗耗時長，測定結(jié)果誤差大.

2.3 人工記錄溫差，時間——溫差數(shù)據(jù)不容易實時同步

3 改進(jìn)后的實驗

3.1 主要儀器與試劑

主要儀器：凝固點管 (比色管)2支；移液管（2 5 mL）1支；空氣套管(比色管)1支；寒劑套筒(干燥塔)1個；計算機1臺；分析天平（萬分之一）1臺；H K－2 A恒溫槽（南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所）1臺；B H－1精密溫度∕溫差測量儀及數(shù)據(jù)采集接口裝置（南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所）1臺.

主要試劑：人造沸石；萘（分析純）；環(huán)已烷（分析純）；冰水+冰塊若干.

3.2 實驗裝置圖

圖1 改進(jìn)后實驗裝置示意圖

3.3 實驗步驟

3.3.1 儀器安裝及裝置準(zhǔn)備

將凝固點測定儀、計算機、實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口裝置等，按（圖1）連接好.開啟計算機，打開“溫度自動化采集”程序(也可采用燃燒熱的測定中配備的程序).設(shè)置參數(shù)，包括測量總時間、采集溫差極值、自動記錄的時間間隔及置零溫度.

3.3.2 純?nèi)軇┠厅c的測定

（1）向恒溫槽中放入冰水，調(diào)節(jié)溫度，使冰水保持在3.5℃左右，開啟恒溫槽循環(huán)泵，使冰水在導(dǎo)管、寒劑套筒內(nèi)循環(huán)流動.

（2）用移液管準(zhǔn)確量取2 5 mL環(huán)己烷，移入干燥潔凈的凝固點管內(nèi)并放入少量沸石（防止過冷），將溫度/溫差探頭穿過膠塞，插入凝固點管內(nèi)，使探頭浸入到液體中合適深度，塞緊膠塞，以避免環(huán)己烷的揮發(fā)，及避免空氣中的水蒸氣凝結(jié).

（3）將凝固點管直接插入寒劑中，至管中溶劑部分凝固，觀察溶劑凝固點值，取出凝固點管，將管外冰水擦干后，用手暖之，待溶劑全部熔化，溫度上升高于凝固點合適值時，將凝固點管插入空氣套管中.

（4）觀察電腦屏幕上顯示的溫度，當(dāng)溫度降至合適值時，切換至溫差，單擊“開始實驗”，此時“溫度自動化采集”程序?qū)⒆詣硬杉捅４鏈夭顢?shù)據(jù)，并在電腦屏幕繪制顯示相應(yīng)的步冷曲線.當(dāng)步冷曲線先下降再稍回升，然后出現(xiàn)平直線段時，說明溶劑經(jīng)過了冷卻、過冷、凝固析出晶體過程，可單擊“停止實驗”，停止實驗.

3.3.3 溶液凝固點的測定

向另一支干燥潔凈的凝固點管中加入事先準(zhǔn)確稱量的萘（約0.0 6 g，使溶液的凝固點降低0.5℃左右），用移液管準(zhǔn)確量取2 5 mL環(huán)己烷，注入凝固點管中，加入少量沸石，再將溫度/溫差探頭穿過膠塞插入凝固點管內(nèi)，使探頭浸入到液體中，塞緊膠塞，小心振蕩使萘完全溶解均勻后，如同測定純?nèi)軇┠厅c的方法一樣測定其凝固點.但是溶液的步冷曲線與純?nèi)軇┑牟嚼淝€稍不相同，溶液的步冷曲線是先下降，再稍回升到一個峰值，然后很緩慢地下降，步冷曲線不出平直的線段，但也說明溶液經(jīng)過了冷卻、過冷、凝固析出純?nèi)軇┚w過程.

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 實驗結(jié)果

表1 萘的摩爾質(zhì)量的測定結(jié)果

說明：

(1)表中數(shù)據(jù)源于學(xué)生實驗報告，學(xué)生1 2組，實驗三周(每周4組)

(2)Kf——環(huán)己烷質(zhì)量摩爾凝固點降低常數(shù)[1]

△Tf——凝固點降低值

WA、WB——分別為溶劑和溶質(zhì)的質(zhì)量

MB（測量）——萘的摩爾質(zhì)量的測定值

MB（文獻(xiàn)）——萘的摩爾質(zhì)量的文獻(xiàn)值

(3)環(huán)己烷的密度關(guān)系式：ρ/(g.c m-3)=0.7 9 7 1－0.8 8 7 9×1 0-3t∕℃[1]

4.2 實驗結(jié)果討論

4.2.1 測定結(jié)果的有效性

在9 0%的置信水平時，沒有離群值.

4.2.2 實驗誤差

直接測量誤差的傳遞：

在9 0%置信度下，實驗存在系統(tǒng)誤差.

實驗存在理論、公式、試劑、個人因素等方面的誤差.實驗誤差可允許在3%左右.4.2.3 實驗結(jié)果的準(zhǔn)確度

單次測定結(jié)果誤差：從表1實驗結(jié)果看，單次實驗的誤差均在允許范圍內(nèi).

整體測定結(jié)果誤差：用1 2次實驗數(shù)據(jù)，以△Tf作圖，得圖2，求得斜率b=0.1 5 6 5；計算得萘的摩爾質(zhì)量MB=1 2 7.8 0.相對誤差為-0.2 4%，亦是較小.

圖2 △Tf與線性圖

由此可知，實驗結(jié)果的準(zhǔn)確度是相當(dāng)高的.

4.2.4 測定結(jié)果的精密度

由此可看出，每次實驗結(jié)果都是相當(dāng)準(zhǔn)確，精密度也相當(dāng)好，實驗都是成功的.偶然誤差影響了測定結(jié)果的精密度.

5 結(jié)論

改進(jìn)后的實驗優(yōu)點：

（1）儀器試劑常見易得，所用的儀器設(shè)備以及試劑都是通用設(shè)備，教學(xué)單位容易獲得；

（2）傳熱均勻穩(wěn)定,使用摩爾凝固熱較小的環(huán)己烷作溶劑及沸石作晶核，過冷程度適合；采用細(xì)長的比色管作為凝固點管，冰水在寒劑套筒內(nèi)從上往下流動，使得空氣套管內(nèi)空氣溫度相對一致，被測液整體冷卻均勻；

（3）無需添加攪拌裝置，使得凝固點管在實驗中密封良好；在恒溫槽中調(diào)整冰水溫度，不僅調(diào)整簡便準(zhǔn)確，而且還可保證冰水與被測液間的溫差相對穩(wěn)定；

（4）采用計算機輔助實驗，能自動地采集、記錄和保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實驗后可隨時取用，同時還能根據(jù)實驗進(jìn)程自動繪制步冷曲線，并在電腦顯示器上直觀顯示，方便了解實驗情況，調(diào)節(jié)實驗進(jìn)程.同時減少了人工，對于操作熟練要求大大降低.

由此可見，所做的這些改進(jìn)，不僅保證了實驗測定結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性，而且實驗安排幾乎不受實驗室溫度和濕度的影響，操作也更為簡便、安全，十分適合用教學(xué).

〔1〕復(fù)旦大學(xué),等.蔡顯鄂，項一非，劉衍光修訂.物理化學(xué)實驗(第二版)[M].北京：高等教育出版社，1993.31-34，448.

〔2〕邵小模.《凝固點降低法測摩爾質(zhì)量》實驗方法的改進(jìn)[J].承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報2000，2(2)：19-22.

〔3〕魏亞杰，姚廣偉，李向東，王裱立.凝固點降低法測定摩爾質(zhì)量實驗改進(jìn) [J].大學(xué)化學(xué)，2004,16(6)：40-42.

〔4〕王曉暉，曹高娃，湯天夫.凝固點降低法測定分子量實驗改進(jìn)[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報2005，20(5)：520-522.

〔5〕孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實驗[M].江蘇：南京大學(xué)出版社，1998：32.

〔6〕李森蘭，杜巧云，等.凝固點降低法測摩爾質(zhì)量實驗研究.洛陽師專化學(xué)系：自然科學(xué)版，2000，19（2）：67-68.

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