第十章物理化学实验部分 第一节基本操作及基本技能训练实验 实验一恒温槽的安装、灵敏度测定以及 不同温度下液体黏度等的测定 一、实验目的 1.了解恒温槽的原理、构造和各部件的功用，学会调节恒温槽 2.绘制框温情灵敏度曲线，求算灵敏度，分析恒温槽性能。 3.了解液体黏度的意义及测定黏度的原理和方法。用乌氏黏度计测定无水乙醇在不同 温度下的黏度，求算无水乙醇的流动活化能。 4.了解电解质溶液电导和电导率的意义， 220 用DDS11C型电导率仪测定标准KCI溶液的 电导，求不同温度下该溶液的电导率。 黏度测定与电导测定选做一种。 二、实验原理 1.恒温技术 温度是物质的重要状态性质，物质的许 多物理化学性质如液体的饱和蒸气压、电解 质溶液的电导率和化学反应的速率常数等， 都与温度有关。物理化学实验多半是在恒温 条件下进行的。掌握恒温技术，学会安装和 使用恒温槽，对于物理化学实验有非常重要 1 的意义。 实验室普遍使用的恒温槽是一种常用的 图10-】恒温水浴装置示意图 1一浴情：2一加热器。3一搅器 控温装置。恒温槽由浴槽、温度控制器、继 4一品泪唐计，5一唐计 电器、加热器、搅拌器和温度计组成。图10-1 6一接触温度计：7一弹簧片：8一继电器 是控温原理和装置示意图。控温的基本原理 是：当浴槽的温度低于设定温度时，温度控制器通过继电器的作用使加热器加热；浴槽温度 达到设定的温度时，自动停止加热。因此浴槽温度在一徽小区间内波动。被研究的体系放在 恒温槽中或在恒温水的包围接触中就被限制在所需的温度上下的徽小区间内波动。现将恒温 槽各部件介绍如下： (1)温度计观察恒温槽的温度可选用分度值为0.1℃的水银温度计，而测量恒温槽的 灵敏度则需用更精密的温度测量装置，如贝克曼温度计、微机智能测温系统等。温度计的安 装位置应尽量靠近被恒温的体系，温度计读数应予校正。 (2)搅拌器搅拌器以小型电动机带动，功率可选40W左右，用变速器或变压器调节 搅拌速率，搅拌器应安装在加热器附近，热量可迅速传递，使槽内各部位温度均匀。 1
(3)加热器在要求设定温度比室温高的情况下， 磁性螺旋调节帽 必须不断供给热量以补偿浴槽向环境散失的热量。电加 热器的选择原则是热容量小、导热性能好、功率适当。 接触金属丝引出线 如果裕槽的容积为20L,要求在20~30℃之间某一温度 恒温，应选用200~300W的电加热器。 (4)接触温度计接触温度计又称水银导电表（以 下简称导电表)，其结构如图10-2所示。水银球上部焊 温度调节指示标尺 有金属丝，导电表上半部有另一金属丝，二者通过引出 线接到继电器的信号反馈端。导电表的顶部有一磁性螺 旋调节帽，用来调节金属丝触点的高低。同时，从导电 表调节指示螺母在标尺上的位置可以大致估读出温度 漫度调节指示螺母 值。浴槽温度升高时，水银膨胀并上升至触点，继电器 内线圈通过电流产生磁场，加热线路弹簧片K跳开，加 热器停止加热。随后浴槽向外散热，温度下降，水银收 缩并与触点脱离，继电器的电磁效应消失，弹簧片K弹 回，接通加热器回路，浴槽温度又上升。 导电表如此反 复工作使浴槽温度得以控制。 2.液体黏度的测定 任何液体都有黏滞性，其量值可用黏滞系数（简称 黏度)刀表示。刀与组成该液体的分子的大小、形状 分子间作用力等有关。测定黏度的方法主要有3种： ①用毛细管黏度计测定液体经毛细管的流出时间： ②用落球式黏度计测定圆球在液体中的下落速率： 可调金属丝触点 ③用旋转式黏度计测定液体对同心轴圆柱体相向转动 的影响。本实验用毛细管流出法测定黏度，说 明如下： 在某温度下，令液体在毛细管内流动，可根据泊肃 叶公式计算黏度 (10-1) 式中，V是在t时间内流过毛细管的液体体积：x是毛 细管半径；力是毛细管两端的压力差；1是毛细 管长度。 黏度的国际制单位为Pa·s,它与厘米克秒制单位 泊的关系为1P=0.1Pa·s. 测黏度时一般不用直接测量泊肃叶公式中的各物理 一水银球 量，而是用同一黏度计在相同条件下分别测定待测液体 图10-2水银接触温度计示意图 和标准液体（本实验为纯水）流过毛细管的时间，用泊 肃叶公式做比较，算出待测液体的黏度。对于两种液体 办=矿 (10-2)
395 =矿器 (10-3) 两式相除得； 卫=4 np2t2 (10-4) 式中，？为黏度，t为流动时间；力为毛细管两端的压力差 对于乌氏黏度计p=Pgh,式中，P为液体密度，g为重力加速度，h为液面与毛细管末 端的距离。在：时间内液面是逐渐下降的，因此h应为在t时间内液面与毛细管末端的“平 均”距离（此处“平均”，确切地说是徽积分所述之“中值"），对于不同的液体大体相同。 式(10-4)变成： 型=1勾 (10-5) 某温度下标准液体的p和p是已知的（例如纯水35℃时m=0.0741Pa·s,a=994.1kg/ m),测得4和2并查得待测液体的密度p2,就可算出 、22 (10-6) 温度变化使分子间作用力发生改变，黏度也有变化，黏度与温度的关系为： 7=AexP(袋赞) (10-7) 或 Ing=InA+ (10-8) 式中，Em称为液体的流动活化能，以l7对宁作图得一直线，斜率S-尝，所以 Evi,=RS (10-9) 毛细管黏度计有多种型式，如乌氏黏度计、奥氏黏度计等。本实验使用乌氏黏度计，操 作方法见实验步骤。 3.电解质溶液电导的测定 ⊙ 与所有导体一样，电解质溶液的导电能力可根 据欧姆定律来定义： w G=员-是 (10-10) 式中，G为电导；E为所加的电压；R是溶液电 。E。 阻：I为通过的电流，可知电导与电阻互为倒数。 图10-3电导仪原理图 电导的单位为西门子，简称西，以S表示。 电导仪原理图见图10-3。 为避免电极极化和电极反应（电解）影响电导的测定，电导仪通常采用稳压交变电源。 交变电流通过待测溶液（电阻R,)和标准电阻（电阻R),据欧姆定律1一RR。,因 Ra《R,故可近似为1一元一EG,标准电阻R。两端的电压为I,Rm,用伏特计量得为V, 算得； G.一RmE (10-11)
这样测得的电导不但与溶液的性质有关，还与测电导所用的电极有关。电导电极由两片 面积相等且有一定距离的铂片封在玻璃框架内组成，所测电导与铂片的面积A成正比，与 两铂片的距离1成反比。单位面积1m2和单位距离1m的电极所测得的电导称为电导率，以 k表示。 G=kA k=G片=KG (10-12) K=称为电导池常数，单位为米-1(m1),故电导率单位为西门子/米(S/m)。确切地 说，电导率才是溶液导电能力的量度。它仅与溶液的性质（溶剂与溶质的品种）、浓度和温 度有关。如果用同一电导电极（电导池常数K确定），则对于不同的溶液或同一溶液不同温 度，所测得的电导是与它们的电导率成正比的。 急- (10-13) 如果已知k2则 6-:8月 本实验以0.01mol/LKC1水溶液为待测溶液，以25℃下的该KCl溶液为标准溶液，已 知25℃时k5=0.1413S/m,则 电导池常数 K-器所以，太一KG, (10-14) 用同一电导池测得G和G5,则可得到各温度下溶液的电导率 以上叙述测定和计算不同温度下液体黏度或溶液电导率的方法，目的在于一方面学会这 些测量技术，另一方面可以检骏操作恒温槽，调节温度的熟练程度。根据实验设备及学时可 选取液体黏度或溶液电导其中一种进行实验。 三、仪器与试剂 玻璃缸（容积10L)(1个）；导电表(1个)：加热器(250W电热丝封在铜管内)(1 套)；SY706型晶体管继电器（或6301型电子管继电器）(1台)；精密测温仪（贝克曼温度 计或微机智能测温系统)1套；乌氏黏度计1支；洗耳球1个；秒表1块：DDS11A数显电 导率仪1台：DJS1型电导电极1支；三角烧杯1个，无水乙醇（二级）；标准KC1水溶液， 0.01mol/L. 四、实验步骤 1,恒温槽的安装、使用及灵敏度测定 (1)安装恒温槽各部件要合理放置。加热器放在恒温槽下部，导电表和温度计尽量靠 近使用区，搅拌器应使整个溶液上下搅动。 (2)调节接通继电器电源，逆时针转动导电表的调节帽使金属丝与汞面接触，此时继 电器亮绿灯，加热器断路不加热，接着顺时针转动调节帽至亮红灯，此时加热使楷温上升， 汞面也上升，因金属丝与汞面的间隙不大，加热一会儿待二者接触即停止加热。重复以上操 作，槽温逐步升至设定温度。例如，设定温度为25℃，应调节至24.90℃并让继电器亮绿灯。 用螺丝锁住调节帽。此时槽温会继续上升至最高点，然后下降至最低点，再自动加热·。 在此过程中，用导电表继续调节使槽温在24.90~25.10℃之间波动，波动范围越小越好
并在25,00℃上下大致对称。注意：①导电表内扁螺母所表示的温度不准，应随时察看精密 温度计或通用的水银温度计；②顺时针转动导电表调节帽待亮红灯后立即停止转动，保证每 次加热时间不长，防止超过设定温度；③逆时针转动调节帽待亮绿灯后也不要继续转动，防 止扁螺母继续下降至与螺杆脱扣而损环导电表。 (3)恒温槽灵敏度的测定普通恒温槽采用间欧加热方式，故其温度不可能保持绝对恒 定，而是在一定温度范围内波动。现定义T=士4兰为恒温槽灵敏度，式中白和红分别 为恒温槽最高温度的平均值和最低温度的平均值。测定方法为（以25℃ 时的灵敏度为例)，每隔lmin用贝克曼温度计测一次温度，共20mim 将数据整理成表，画出温度-时间曲线，从图中得1和红算出T:。贝 克曼温度计是一种用来精密测量体系始态和终态温度变化的水银温度 计，刻度间隔为0.01℃，用放大镜可估读至0.002℃。因价格昂贵等原 因，教学实验室很少使用贝克曼温度计。本实验用激机智能测温系统测 温，可估读至0.01℃，得到的温度-时间曲线没有用贝克曼温度计那样 精确，但仍能估算出恒温槽灵敏度。 2.无水乙醇的黏度测定 (1)调节恒温槽温度至(25.0土0.1)℃，此处“士0.1”指明恒温 25℃时的灵敏度。 (2)测定25℃时无水乙醇流经乌氏黏度计毛细管的时间。取乌氏黏 度计1支（图10-4），在B、C管上端套上乳胶管，从A管注人无水乙 醇至D球下方，使乙醇接近支管C的下口（但不堵死下口）。浸入恒温 槽中竖直固定，恒温5~Tmin后进行测定。用夹子夹紧C管上的乳胶 管，用洗耳球从B管之乳胶管吸气，将乙醇从D球、毛细管、E球抽 至G球。夹紧B管之乳胶管，解去C管夹子，此时D球内部分乙醇流 回F球，D球经C管与大气相通，毛细管末端即通大气。解去B管夹 子，B管内乙醇下落，当液面流经刻度α时启动秒表计时，当液面降到 刻度6时计时终止，这段时间就是ab间体积V的乙醇流经毛细管的时 间t2。重复操作2一3次，每次相差不超过0.55，取平均值。 图10-4乌氏黏度计 (3)升高温度3~4℃，例如28℃，同步骤(2)，测定该温度下乙醇流经毛细管的时间。 如此测得4~5个数据，要求最后一个温度为35℃。 (4)将黏度计中的乙醇倒人回收瓶中，滴干，然后在烘箱中烘干。在同一黏度计中装入 纯水，放人(35.0士0.1)℃恒温槽中，同前法测定水流经毛细管的时间1。 操作注意事项： (1)实验时黏度计必须铅直放置。 (2)用洗耳球吸取液体时，液体中不得混人气泡，否则应待气泡排尽才能实验 (3)操作时如果要接触B管或C管应特别小心。因B管或C管有较长之力臂，用力虽 小但形成的力矩较大，易在管间接口处折断。 3.电解质溶液电导的测定 (1)恒温槽淇度调至(25.0土0.1)℃ (2)熟悉DDS11C电导率仪的板面。“常数”置于1.0，电导率仪作为电导仪使用，测 得的是溶液的电导。“温度”置于25℃，在调节到各种温度时，“温度”旋钮一直不变，这样 5
温度未做补偿，在某温度下测得的就是该温度的电导值。电导电极插头插人“电导池”孔 内，用纯水神洗铂片，用滤纸吸干水分，放人标准KC1溶液中浸没铂片，“量程”置于 ×103红挡 (3)开启电源（此后直至测定终了不要关闭），稳定10min后使用。选择开关置“校 正”，转动“调正”旋钮使指针指向满度，然后将开关拨向“测量”，读指针在红字标度之数 值，估读两位小数，单位为毫西(mS),此为用该电极测得之25℃时标准KC1溶液的电导 Gz5,注意：刻度盘原标为uS/cm(微西每厘米)是指电导率，现已做了换算。 (4)先后调出高于25℃的几个温度，具体温度同学自定，但要求调出整数度，以此检验 同学调节恒温槽的能力。用(3)中同一电极测定各温度下溶液电导值G:。视实验时间测 3一4个温度的溶液电导。 五、数据处理 1.作恒温槽灵敏度曲线，求灵敏度T 根据温度-时间的数据作图，得和2，从公式T:=士自，丝求得T,T,值愈小表示恒 温槽性能愈好。灵敏度与所采用的工作介质、感温元件、搅拌速率、加热器功率、继电器性 能等因素有关。灵敏度曲线一般有图10-5所示的几种情况。曲线1是由于加热器功率过大 热情性小引起的超调量，曲线2是加热器功率适中，但热惰性大引起的超调量；曲线3加热 器功率适中，热惰性小，温度波动小，即恒温槽灵敏度较高 图10-5恒温浴灵敏度曲线的几种形式 2.计算无水乙醇的流动活化能 (1)根据式(10-6)计算无水乙醇在不同温度下的黏度刀。 (2)作疗宁图，求直线斜率，根据式(10-8)计算无水乙醇的流动活化能，与文献值 13.40kJ/mol比较求相对误差 (3)计算不同温度下0.01mo/LKC溶液的电导率.先计算电导池格数K=器，然后 根据式(10-14)计算各温度下0.01mol/LKCl溶液的电导率k:,与文献值比较求相对误差。 6