《物理化学》实验指导
《物理化学》实验指导
前 言
物理化学实验是物理化学课程的重要组成部分，是理论联系实际、完成物理化学课程学习的重要环节和手段，也是一门非常重要的药学类基础实验课程，在培养学生分析问题、解决问题及动手能力等方面发挥着十分重要的作用。通过实验，学生可以了解物理化学实验的原理、方法和测试手段，熟悉有关仪器的构造、原理和使用方法，巩固、加深、验证和补充物理化学课堂教学中的基本理论知识，从而更深入和更全面地理解物理化学的原理和概念，培养学生严谨的科学态度，为中药学、药学等专业后续课程的学习建立必要的实验基础。本教研室依据《物理化学》实验大纲要求，结合多年的教学实践，组织编写了本实验指导，其内容包括实验目的、实验原理、实验器材、实验内容（步骤、方法、结果分析及注意事项）等项目，同时后附思考题，以供学生独立思考、加深理解。
实验学时：20学时（40min / 学时）。
实验一 三组分液—液体系相图的绘制
（验证性实验，4 学时）
【实验目的与要求】
1. 熟悉相律及用等边三角形坐标表示三组分相图的方法。
2. 用溶解度法绘制有一对共轭溶液的三组分相图。
【实验原理】
1．如图，常温常压下向N滴入蒸馏水至e1，
体系由清变浑得到一个终点e1，向e1加入一定量
的醋酸使溶液澄清，再用水滴定至浑，如此可得到
一系列不同组成的终点e1、e2、O、f2、f1等，
连结这些终点即可画出溶解度曲线EOF。
2．配制共轭溶液（如d1），分析两相
中各自醋酸的含量，在溶解度曲线
上作出每相的组成点e1和f1，其连线即为结线e1f1。
【实验仪器、器材与试剂】
1．仪器：带塞干洁锥形瓶100ml和25ml各2个，吸量管2ml和1ml各1支，150ml锥形瓶2个，酸式和碱式滴定管各1支，公用吸量管10ml和1ml各2支。
2．试剂：无水苯，冰醋酸，蒸馏水，NaOH溶液（0.5mol.L-1），酚酞指示剂。
【实验内容、方法与步骤】
1．溶解度曲线的测定：取一只100ml带塞锥形瓶，用吸量管量入10ml苯，从酸式滴定管放入4ml醋酸，碱式滴定管装蒸馏水滴入至浑为终点，记录于下表1-1；依次加5、8、8ml醋酸滴至终点。最后再加10ml苯配制d1体系，盖好5min摇一次，30min后静置用来测结线e1f1。
另取一只100ml带塞锥形瓶，加入1ml苯和2ml醋酸，用蒸馏水滴至终点；依次再加1、1、1、1、2ml醋酸分别滴至终点并记录于下表1-1。
2．结线的测定：称两个25ml带塞瓶，待d1二层液体分清，吸上层液2ml、下层液1ml分别装入，再称；分别洗入150ml锥形瓶中，加酚酞2滴，用NaOH滴定醋酸的含量，记录于下表1-2。
【实验数据记录、处理与结果】
1．溶解度曲线测定的数据如表1-1：
表1-1：实验室温___________℃，大气压_____________Pa,
密度：HAc(1.05g.mL-1)，C6H6(0.88g.mL-1)，H2O(1.00g.mL-1)
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编号 |
HAc |
C6H6 |
H2O |
总重量（g） |
重量百分含量 |
|||||
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V(mL) |
m(g) |
V(mL) |
m(g) |
V(mL) |
m(g) |
HAc |
C6H6 |
H2O |
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1 |
4.00 |
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10.00 |
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2 |
9.00 |
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10.00 |
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3 |
17.00 |
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10.00 |
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4 |
25.00 |
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10.00 |
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5 |
2.00 |
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1.00 |
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6 |
3.00 |
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1.00 |
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7 |
4.00 |
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1.00 |
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8 |
5.00 |
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1.00 |
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9 |
6.00 |
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1.00 |
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10 |
8.00 |
|
1.00 |
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d1 |
25.00 |
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20.00 |
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2．结线的测定数据如表1-2：
表1-2：NaOH浓度__________ mol.mL-1
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液体重（g） |
NaOH（mL） |
含HAc（g） |
HAc（%） |
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d1 |
上层 |
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下层 |
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3．根据表1-1、1-2作出相图。
【注意事项】
1．所用带塞锥形瓶（100ml、25ml）一定要干洁。
2．滴入蒸馏水时一定要慢，滴入一滴振摇溶完后再滴入第二滴。
【实验报告】
1．写出实验目的、原理和内容。
2．重点计算好实验结果并作出相图。
3．回答下面的思考题。
【讨论与思考题】
滴定过程中，若某次滴水量超过终点而读数不准，是否要立刻倒掉溶液重新做实验？
实验二 蔗糖转化速度常数的测定
（综合性实验，4学时）
【实验目的与要求】
1. 测定蔗糖的转化速度常数和半衰期，并验证其为一级反应。
2. 掌握旋光计的一般原理和使用方法。
3．了解反应的反应物浓度与旋光度之间的关系。
【实验原理】
（蔗糖） （葡萄糖） （果糖），
是个二级反应。因为水大量其浓度看作恒定，故为假一级反应：
，， t1/2==
对旋光仪：α=KC ，推导得 ，对t作图得直线，故 - k = 直线的斜率，半衰期 t1/2 = 0.693 / k 。
【实验仪器、器材与试剂】
1．仪器：旋光仪1台，超级恒温水浴1套，100ml带塞干洁锥形瓶1个，25ml移液管1支，50ml量筒1个，秒表1只。
2．试剂：蔗糖溶液（10g蔗糖加50ml蒸馏水），HCl溶液（2.0mol.L-1）。
【实验内容、方法与步骤】
1．用蒸馏水练习旋光仪的使用并校正仪器的零点：测三次α水计算平均值。
2．蔗糖转化反应过程旋光度的测定：用移液管吸取25ml蔗糖溶液于100ml带塞锥形瓶中，用量筒量取2.0mol·L-1HCl溶液25ml，将盐酸迅速倾入蔗糖溶液中（倒入一半即开始记时），摇匀。迅速用少量反应液荡洗样品管两次，装好管，距反应开始5、10、15、20、25、30、40、50、60min各测一次旋光度，记录于下表。
3．α∞的测量：将剩余的反应液盖好（在磨口处垫纸片），置于50-60℃水浴加热50分钟，冷却后测三次α∞取平均值。实验结束，洗干净样品管、擦干旋光仪等。
【实验数据记录、处理与结果】
1．蒸馏水校正仪器的零点数据如表：
|
顺次 |
1 |
2 |
3 |
平均 |
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|
α水 |
左读数 |
|
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|
右读数 |
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||
2．蔗糖转化反应过程旋光度的测定数据如下表：
实验温度：_________ ， α∞=___________
|
时间t（min） |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
|
αt |
左读数 |
|
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|
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|
|
右读数 |
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平均 |
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ln(αt-α∞) |
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3．以ln(αt-α∞)对t作图，并求出反应速度常数k和半衰期t1/2。
【注意事项】
1．一定在学会使用旋光仪以后才能把蔗糖溶液与盐酸混合反应。
2．记录时间要与找到旋光仪平衡点的读数准确对应。
【实验报告】
1．写出实验目的、原理和内容，计算好实验结果。
2．作图只能用电脑或坐标纸。
3．回答下面的思考题。
【讨论与思考题】
1．在蔗糖水解的过程中，所测得的旋光度是否需要零点校正？为什么？
2．混合溶液时，若把蔗糖溶液倒入盐酸溶液行吗？为什么？
实验三 乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定
（综合性实验，4学时）
【实验目的与要求】
1. 测定乙酸乙酯皂化的反应速率常数，了解反应活化能的测定方法。
2. 了解二级反应的特点，学会用图解法求反应速率常数和活化能。
3. 掌握电导率仪的一般原理和使用方法。
【实验原理】
CH3COOC2H5 + Na+ + OH- == CH3COO- + Na+ + C2H5OH为二级反应，其反应速率方程为：
，积分得 。
用电导法测定时：电导率与溶液浓度成正比，即反应开始、某时刻t和终了时溶液的电导率分别为 L0 = A1·a 、 L∞ = A2·a、 Lt = A1·（a-x）+ A2·x
解得 ，代入得，
以Lt 对（L0 -Lt）/ t作图，则1 / (k·a) =直线的斜率，从而求得反应速率常数k。
改变实验温度测定另一个反应速率常数k2，由阿累尼乌斯公式即求得反应活化能。
【实验仪器、器材与试剂】
1．仪器：电导率仪1台，恒温水浴1套，磁力搅拌器1台，100ml带塞干洁锥形瓶1个，1ml注射器1支，秒表1只。
2．试剂：乙酸乙酯（取0.1ml配成100ml溶液得浓度为0.01mol.L-1），NaOH溶液（0.01mol.L-1）。
【实验内容、方法与步骤】
1．校准电导率仪：
①开电导率仪预热15min，调“温度”钮为实验温度（如室温）；
②打开“校准”开关并旋“校准”钮使显示100.0（×10）μs/cm；
③接着逆时针往回旋“校准”钮使显示“电极常数×100（×10）”值后返回“测量”状态。
2．L0的测定：在干洁的锥形瓶中放入一粒搅拌磁子，量入100ml0.01 mol.L-1的NaOH，插入电极测其L0值三次，取平均值记录于下表。
3．Lt的测定：取出电极，将锥形瓶放在磁力搅拌器上搅拌，用注射器量0.1ml乙酸乙酯迅速注入并记录时间作为反应起点，再搅拌1min后停止，插入电极于反应开始第5、10、15、20、25、30、40、50、60min时各测一次Lt记录于下表。测定完毕洗干净电极、搅拌磁子等。
【实验数据记录、处理与结果】
1．实验数据记录如下：
实验温度T =_______℃，电导池常数 =___________，a =__0.01__mol/L，L0=_______s/m.
|
时间 t (min) |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
40 |
50 |
60 |
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Lt (s·m-1) |
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(L0 - Lt) / t |
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2.以Lt 对（L0 -Lt）/ t作图，并求出反应速率常数k。
【注意事项】
1．搅拌时一定要拿出电极。
2．记录反应时间与读数要准确对应。
【实验报告】
1．写出实验目的、原理和内容，计算好实验结果。
2．作图只能用电脑或坐标纸。
3．回答下面的思考题。
【讨论与思考题】
1．若乙酸乙酯注入NaOH溶液后两者初浓度不等能如此计算吗？为什么？
2．在皂化过程中电导为什么会有变化？是哪些离子发生导电作用？
实验四 最大气泡法测定溶液的表面张力
（综合性实验，4学时）
【实验目的与要求】
1. 测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力，计算表面吸附量。
2. 了解表面张力的性质及其与吸附的关系。
3. 掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。
【实验原理】
1．溶液的表面吸附作用：定温下 ，
在～c曲线上任选一点i作切线，该切线的斜率
（b –σi）/（0- Ci ）=（d/dci）T
2．最大气泡法测定表面张力：根据（Laplace）公式
；同一支毛细管△p max，1/ △p max，2=σ1/σ2，故
σ2= =K×△p max，2（K=σ1/△p max，1叫仪器常数，用蒸馏水测出）。
【实验仪器、器材与试剂】
1．仪器：表面张力测定装置1套，恒温水浴1套，100ml带塞干洁锥形瓶6个，酸、碱滴定管各1支，50ml量筒1个，200ml烧杯1个，洗耳球1个。
2．试剂：无水酒精（99.7%）。
【实验内容、方法与步骤】
1．安装最大气泡法测定溶液表面张力的装置。
2．配制不同浓度的乙醇溶液：取6个带塞干洁锥形瓶按下表用滴定管装入溶液。
3．用蒸馏水测定仪器的毛细管常数：接好装置，调节蒸馏水面与毛细管口刚好相切；按压力计“单位”至mmH2O柱、通大气“采零”；打开抽气瓶活塞相隔5~10秒出现一个气泡时读数，“采零”后再测一次取平均值。
4．测定不同浓度乙醇溶液的表面张力：用待测液清洗样品管和毛细管，由稀到浓依次测量。
【实验数据记录、处理与结果】
1．仪器（毛细管）常数测定：K=σ水/△p max，水 （27℃σ水=0.0717N/m）
2．乙醇溶液的表面张力测定如下表： 大气压： ____ Pa ；实验温度： ____ ℃
|
乙醇浓度（%） |
5% |
10% |
15% |
20% |
30% |
50% |
|
乙醇用量（ml） |
4.43 |
8.86 |
13.29 |
17.22 |
26.58 |
44.30 |
|
蒸馏水（ml） |
66.5 |
63.0 |
59.5 |
56.0 |
49.0 |
35.0 |
|
△p max(mmH2O) |
|
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|
σ（N/m） |
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3．作出～c曲线图，并用镜面法作出浓度为20%处的切线。
4．求出20%溶液的表面活度和吸附量Γ：=？，Γ=？
【注意事项】
1．样品管和毛细管一定要清洗干净。
2．测量时，毛细管末端不能悬空或插入溶液内部。
3．要控制好气泡的生成速度。
【实验报告】
1．写出实验目的、原理和内容，计算好实验结果。
2．作～c曲线图只能用电脑或坐标纸。
3．回答下面的思考题。
【讨论与思考题】
在测量中，如果抽气速度过快，对测量结果有何影响？
实验五 固液界面上的吸附
（验证性实验，4学时）
【实验目的与要求】
1. 通过测定活性炭在醋酸溶液中的吸附，验证弗劳因特立希吸附等温式。
2. 作出吸附等温线，求出弗劳因特立希吸附等温式中的经验常数。
3. 了解固体吸附剂在溶液中的吸附特点。
【实验原理】
定温下， Freundlich吸附等温式为：，取对数得
，以 对作图得直线， = 斜率，= 截距。
【实验仪器、器材与试剂】
1．仪器：150ml带塞干洁锥形瓶6个，150ml锥形瓶3个，长颈漏斗3个，酸、碱滴定管各1支，恒温振荡器1套，台秤1台，5、10、 25ml移液管各1~3支，50ml量筒1个，滤纸若干。
2．试剂：粉末活性炭，HAc溶液（约0.4mol.L-1），0.1 mol.L-1NaOH，酚酞指示剂。
【实验内容、方法与步骤】
1．将6个干洁的具塞锥形瓶编号，并各称入2.0克粉末活性炭（用称量纸称）；
2．用滴定管按下表分别加入约0.4 mol.L-1醋酸和蒸馏水；
3．盖上塞子均摇荡1小时（若振荡器不够则手工振摇，或用电磁搅拌器搅拌）；
4．过滤去掉活性炭，用少量初滤液（约10ml）分两次洗涤接收瓶后收集续滤液；
5．从各号滤液中按下表平衡取样量取样，加2滴酚酞后用0.1 mol.L-1NaOH各滴定两次，碱量取平均值记入下表。
【实验数据记录、处理与结果】
1．实验数据记录如下表：
温度 ___ ℃，原HAc= __ __ ， NaOH= __
|
序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
原HAc(ml) |
80.00 |
40.00 |
20.00 |
12.00 |
6.40 |
3.20 |
|
蒸馏水（ml） |
0.00 |
40.00 |
60.00 |
68.00 |
73.60 |
76.80 |
|
HAc初C0(mol/L） |
|
|
|
|
|
|
|
活性炭m（g） |
|
|
|
|
|
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|
平衡取样V（ml） |
5.00 |
10.00 |
10.00 |
25.00 |
25.00 |
25.00 |
|
Na0H用量（ml） |
|
|
|
|
|
|
|
HAc平衡C（mol/L） |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
lg C |
|
|
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|
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|
|
（注意：吸附量 ，V = 80ml）
2．绘制对C的吸附等温线图。
3．以对作图，并求出n和k如下：斜率=？ 截距=？， n=？ k=？
【注意事项】
1．操作过程中应尽量加塞瓶盖，以防醋酸挥发。
2．滤渣活性炭和滤纸不能丢入水槽，以免堵塞。
【实验报告】
1．写出实验目的、原理和内容，计算好实验结果。
2．作图只能用电脑或坐标纸。
3．回答下面的思考题。
【讨论与思考题】
在过滤分离活性炭时，为什么要弃去最初的一小部分滤液？
