“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)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(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)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(duì)“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)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(cè)液間的溫差；使用微機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)表明：測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性高、重復(fù)性好.實(shí)驗(yàn)幾乎不受實(shí)驗(yàn)室溫度及濕度影響，操作簡(jiǎn)便、安全，省時(shí).

摩爾質(zhì)量；凝固點(diǎn)降低；改進(jìn)

1 前言

物質(zhì)的摩爾質(zhì)量是一個(gè)重要的物理化學(xué)數(shù)據(jù)，其測(cè)定方法有許多種.“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量”是其中方法之一，它在實(shí)驗(yàn)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(jì)出了精確測(cè)量裝置以后，成就了這經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，迄今為止幾乎所有物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教科書中都有這個(gè)實(shí)驗(yàn)[1].隨著科技的進(jìn)步，“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量”的測(cè)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(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量”教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)測(cè)量裝置[5]，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很不理想，測(cè)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(cè)定凝固點(diǎn)的準(zhǔn)確度，受實(shí)驗(yàn)室溫度及濕度的影響較大.2 0 0 2年，筆者對(duì)“凝固點(diǎn)降低法測(cè)定萘的摩爾質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了裝置改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課的老師使用改進(jìn)后的裝置進(jìn)行“凝固點(diǎn)降低法測(cè)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(cè)量裝置之缺點(diǎn)

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(shí)驗(yàn)室溫度較高時(shí)，冰水能從外面吸熱，升溫很快，在實(shí)驗(yàn)過程中須頻繁調(diào)整冰水溫度.調(diào)整冰水溫度時(shí)，操作相當(dāng)復(fù)雜，且難調(diào)整準(zhǔn)確.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程被測(cè)液能混入雜質(zhì)，測(cè)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(shí)驗(yàn)過程導(dǎo)致空氣混入，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室濕度較大時(shí)，被測(cè)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(diǎn)管之間空間過大，被測(cè)液與冰水間的熱交換速率低，導(dǎo)致被測(cè)液降溫很慢，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，測(cè)定結(jié)果誤差大.

2.3 人工記錄溫差，時(shí)間——溫差數(shù)據(jù)不容易實(shí)時(shí)同步

3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

3.1 主要儀器與試劑

主要儀器：凝固點(diǎn)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(gè)；計(jì)算機(jī)1臺(tái)；分析天平（萬分之一）1臺(tái)；H K－2 A恒溫槽（南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所）1臺(tái)；B H－1精密溫度∕溫差測(cè)量?jī)x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(tái).

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(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 儀器安裝及裝置準(zhǔn)備

將凝固點(diǎn)測(cè)定儀、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口裝置等，按（圖1）連接好.開啟計(jì)算機(jī)，打開“溫度自動(dòng)化采集”程序(也可采用燃燒熱的測(cè)定中配備的程序).設(shè)置參數(shù)，包括測(cè)量總時(shí)間、采集溫差極值、自動(dòng)記錄的時(shí)間間隔及置零溫度.

3.3.2 純?nèi)軇┠厅c(diǎn)的測(cè)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(dòng).

（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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)管直接插入寒劑中，至管中溶劑部分凝固，觀察溶劑凝固點(diǎn)值，取出凝固點(diǎn)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(diǎn)合適值時(shí)，將凝固點(diǎn)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(shí)，切換至溫差，單擊“開始實(shí)驗(yàn)”，此時(shí)“溫度自動(dòng)化采集”程序?qū)⒆詣?dòng)采集和保存溫差數(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(shí)，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(shí)驗(yàn)”，停止實(shí)驗(yàn).

3.3.3 溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定

向另一支干燥潔凈的凝固點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(cè)定純?nèi)軇┠厅c(diǎn)的方法一樣測(cè)定其凝固點(diǎn).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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 萘的摩爾質(zhì)量的測(cè)定結(jié)果

說明：

(1)表中數(shù)據(jù)源于學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生1 2組，實(shí)驗(yàn)三周(每周4組)

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

△Tf——凝固點(diǎn)降低值

WA、WB——分別為溶劑和溶質(zhì)的質(zhì)量

MB（測(cè)量）——萘的摩爾質(zhì)量的測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

4.2.1 測(cè)定結(jié)果的有效性

在9 0%的置信水平時(shí)，沒有離群值.

4.2.2 實(shí)驗(yàn)誤差

直接測(cè)量誤差的傳遞：

在9 0%置信度下，實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差.

實(shí)驗(yàn)存在理論、公式、試劑、個(gè)人因素等方面的誤差.實(shí)驗(yàn)誤差可允許在3%左右.4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度

單次測(cè)定結(jié)果誤差：從表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，單次實(shí)驗(yàn)的誤差均在允許范圍內(nèi).

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

圖2 △Tf與線性圖

由此可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度是相當(dāng)高的.

4.2.4 測(cè)定結(jié)果的精密度

由此可看出，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是相當(dāng)準(zhǔn)確，精密度也相當(dāng)好，實(shí)驗(yàn)都是成功的.偶然誤差影響了測(cè)定結(jié)果的精密度.

5 結(jié)論

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：

（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(zhǎng)的比色管作為凝固點(diǎn)管，冰水在寒劑套筒內(nèi)從上往下流動(dòng)，使得空氣套管內(nèi)空氣溫度相對(duì)一致，被測(cè)液整體冷卻均勻；

（3）無需添加攪拌裝置，使得凝固點(diǎn)管在實(shí)驗(yàn)中密封良好；在恒溫槽中調(diào)整冰水溫度，不僅調(diào)整簡(jiǎn)便準(zhǔn)確，而且還可保證冰水與被測(cè)液間的溫差相對(duì)穩(wěn)定；

（4）采用計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)，能自動(dòng)地采集、記錄和保存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)后可隨時(shí)取用，同時(shí)還能根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程自動(dòng)繪制步冷曲線，并在電腦顯示器上直觀顯示，方便了解實(shí)驗(yàn)情況，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程.同時(shí)減少了人工，對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性，而且實(shí)驗(yàn)安排幾乎不受實(shí)驗(yàn)室溫度和濕度的影響，操作也更為簡(jiǎn)便、安全，十分適合用教學(xué).

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

〔2〕邵小模.《凝固點(diǎn)降低法測(cè)摩爾質(zhì)量》實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)2000，2(2)：19-22.

〔3〕魏亞杰，姚廣偉，李向東，王裱立.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)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(diǎn)降低法測(cè)定分子量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)2005，20(5)：520-522.

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

〔6〕李森蘭，杜巧云，等.凝固點(diǎn)降低法測(cè)摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究.洛陽(yáng)師專化學(xué)系：自然科學(xué)版，2000，19（2）：67-68.

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1673-260X（2010）10-0011-03