凝固点降低法测摩尔质量.doc

凝固点降低法测定摩尔质量
一、实验目的及要求
  1．用凝固点降低法测定萘的摩尔质量；
  2．加深对稀溶液依数性的理解；
  3．学会使用凝固点降低实验装置。
二、实验原理
非挥发性溶质二组分溶液，其稀溶液具有依数性，凝固点降低就是依数性的一种表现。在溶液浓度很稀时，确定了溶剂的种类和数量后，溶剂凝固点降低值仅仅取决于所含溶质分子的数目。
稀溶液的凝固点降低与溶液成分关系的公式为：

式中：ΔTf ——凝固点降低值，K；
T*——以绝对值表示的纯溶剂的凝固点，K；
ΔHm——摩尔凝固热；
n1——溶剂的物质的量（摩尔）；
n2——溶质的物质的量（摩尔）。
当溶液很稀时，n2〈〈n1，则

式中：M1——溶剂的摩尔质量，kg/mol;
m2——溶质的质量分数，%；
Kf——溶剂的凝固点降低常数，kg.K/mol。

若已知某种溶剂的凝固点降低常数Kf，并测得溶剂和溶质的质量分别为 W1 ，W2的稀溶液的凝固点降低值ΔTf，则可通过下式计算溶质的摩尔质量 M2。

凝固点降低值的大小，直接反映了溶液中溶质有效质点的数目。如果溶质在溶液中有离解、缔合、溶剂化和配合物生成等情况，这些均影响溶质在溶剂中的表观摩尔质量。因此凝固点降低法也可用来研究溶液的一些性质，例如电解质的电离度、溶质的缔合度、活度和活度系数等。
凝固点测定方法是将已知浓度的溶液逐渐冷却成过冷溶液，然后促使溶液结晶；当晶体生成时，放出的凝固热使体系温度回升，当放热与散热达到平衡时，温度不再改变，此固－液两相达到平衡的温度，即为溶液的凝固点。本实验测定纯溶剂和溶液的凝固点之差。
若将液态的纯溶剂逐步冷却，在未凝固前温度将随时间均匀下降，开始凝固后因放出凝固热而补偿了热损失，体系将保持液—固两相共存的平衡温度而不变，直至全部凝固，温度再继续下降。其冷却曲线如图1中1所示。但实际过程中，由于开始结晶出的微小晶粒的饱和蒸气压大于同温度下的液体饱和蒸气压，所以当液体温度达到或稍低于其凝固点时，晶体并不析出，这就是所谓的过冷现象。此时若加以搅拌或加入晶种，促使晶核产生，则大量晶体会迅速形成，并放出凝固热，使体系温度迅速回升到稳定的平衡温度；待液体全部凝固后温度再逐渐下降。冷却曲线如图1中2所示。

图1 纯溶剂和溶液的冷却曲线
    溶液的凝固点是该溶液与溶剂的固相共存的平衡温度，其冷却曲线与纯溶剂不同。当有溶剂凝固析出时，剩余溶液的浓度逐渐增大，因而溶液的凝固点也逐渐下降。因有凝固热放出，冷却曲线的斜率发生变化，即温度的下降速度变慢，如图1中3所示。本实验要测定已知浓度溶液的凝固点。如果溶液过冷程度不大，析出固体溶剂的量很少，对原始溶液浓度影响不大，则以过冷回升的最高温度作为该溶液的凝固点，如图1中4所示。

图2 外推法求纯溶剂和溶液的凝固点
    确定凝固点的另一种方法是外推法，如图2所示，首先记录绘制纯溶剂与溶液的冷却曲线，作曲线后面部分（已经有固体析出）的趋势线并延长使其与曲线的前面部分相交，其交点就是凝固点。
三、仪器与试剂
仪器：普通温度计1支；25ml移液管1支；压片机1台、精密数字温差仪，分析天平。
试剂：冰块、环己烷（A.R.）、萘（A.R.）。
四、实验步骤
1．安装实验装置

图3 凝固点降低装置图
    检查测温探头，要求洁净，可以用环己烷清洗测温探头并晾干。
    冰水浴槽中准备好冰和水，温度最好控制在3.5℃左右。并应经常搅拌，不断加入碎冰，使冰浴温度基本保持不变。
    用移液管取25.00ml（或用0.01g精度的天平称量20.00g左右）分析纯的环己烷注入已洗净干燥的凝固点管中，塞紧软木塞，防止环已烷挥发，记下环已烷的温度值。注意冰水浴高度要超过凝固点管中环己烷的液面。
    将精密电子温差仪的测温探头擦干、插入凝固点管中，注意测温探头应位于环己烷的中间位置。
    检查搅拌杆，使之能顺利上下搅动，不与测温探头和管壁接触摩擦。
2．环己烷凝固点的测定
    先粗测凝固点，将凝固点管直接浸入冰水浴中，平稳搅拌使之冷却，当开始有晶体析出时，迅速取出测定管，擦干管外冰水，放入外套管中继续缓慢搅拌，观察温差测量仪的数显值，待温度较稳定温差仪的示值变化不大时，也就是环己烷的近似凝固点参考值。
    取出凝固点管，用手微热，使结晶完全熔化（不要加热太快太高）。然后将凝固点管放入冰水浴中，均匀搅拌，使环已烷迅速冷却。当温度降到比近似凝固点高0.5K时，迅速将凝固点管从冰水浴中拿出，擦干，放入外套管中继续冷却到比近似凝固点低 0.2～0.3 K，开始轻轻搅拌，此时过冷液体因结晶放热而使温度回升，此稳定的最高温度即为纯环己烷的凝固点。使结晶熔化，重复操作，直到取得三个偏差不超过 ±0.005 K 的数据为止。
3．溶液凝固点的测定
    用分析天平称量压成片状的萘0.06~0.10g，小心地从凝固点支管加入凝固点管中，搅拌使之全部溶解。
    同上法先测定溶液的近似凝固点，再准确测量精确凝固点，注意最高点出现的时间很短，需仔细观察。测定过程中冷度不得超过0.2K，偏差不得超过0.005K。
    注意：判断样品管中是否出现固体，不是直接观察样品管里面，而是从记录的温度数据上判断，即温度由下降较快变为下降较慢的转折处。重复本步骤1次。
4．结束整理
    关闭仪器电源，断开各电源连接线，拆卸凝固点实验装置，将凝固点管洗净后用蒸馏水荡洗，置于烘箱中烘干。凝固点装置的其它部件放入仪器箱内。
五、注意事项
1．实验时应将测温探头擦干后再插入凝固点管。不使用时注意妥善保护测温探头。
2．加入固体样品时要小心，勿粘在壁上或撒在外面，以保证量的准确性。
3．熔化样品和溶解溶质时切勿升温过高，以防超出温差仪量程。

六、数据记录与处理
1．数据记录
    室温：________℃；大气压：_________Pa。
溶剂
溶液
时间
温度
时间
温度
时间
温度
时间
温度
时间
温度
时间
温度

2．数据处理
    根据公式 ρ/(g•cm-3)=0.7971-0.8879×10-3 t/℃ 计算室温 t℃ 时环己烷的密度。
    根据所记录的时间～温度数据，绘制纯溶剂和溶液的步冷曲线。
    根据测得的环己烷和溶液的凝固点，计算萘的摩尔质量。
七、思考题
1．何为稀溶液的依数性？
      2．何为过冷现象？如何控制溶液的过冷程度？
3．在精确测定凝固点时为什么要急速搅拌？
4．在测定时如何确定所加入的溶质质量？