1、旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数 1. 简述旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数的实验原理。 答:蔗糖在水中转化为葡萄糖与果糖,其反应为: ? ? ? ? ? ? C12H O 22 11 蔗糖 ? H2O ?? H? ?C6 H12O6 葡萄糖 ? C6 H12O6 果糖 由于水是大量存在的,H+是催化剂,反应中它们浓度基本不变,因此蔗糖在酸性溶液中的转化反应是准一级反 应。 ln c ? ln c0 ? kt 由一级反应的积分方程可知,在不同时间测定反应物的相应浓度,并以 lnc 对t作图,可得一直线,由直线斜率可得 k。然而反应是不断进行的,要快速分析出反应物的浓度是困难的。但蔗糖及其转化产物,都具有旋光性,而且它们 的旋光能力不同,故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应的进程。 溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关,当其他 条件均固定时,α=βc。 ? ? 在某一温度下测出反应体系不同反应时刻 t 时的 at 及a∞,以ln ? t ? ? ? 对t作图可得一直线,从直线斜率即可求 得反应速率常数 k,半衰期 t1 2 ? ln 2 k 。 2. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,如果所用蔗糖不纯,对实验有何影响? ? ? 答:本实验通过旋光度的测定来测蔗糖反应速率,蔗糖是右旋性物质,其?20 D =66 .6? ,葡萄糖是右旋性物质, ? ? ? ? 其?20 D =52 .5? ,果糖是左旋性物质,其?20 D = ? 91 .9? ,因此随着反应的进行反应体系的旋光度由右旋变为 左旋。若蔗糖不纯,所含杂质如果无旋光性对实验无影响,如果具有一定的旋光性会影响实验旋光度的测量,使实 验结果不准确。 3. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,测旋光度时不作零点校正,对实验结果有无影响? 答:无影响,本实验中,所测的旋光度 αt 可以不校正零点,因αt-α∞ ,已将系统的零点误差消除掉。 4. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,蔗糖水解实验中配制溶液为何可用台称称量? 答:蔗糖初始浓度对于数据影响不大。速率常数 K 与温度和催化剂的浓度有关,实验测定反应速率常数 k,以ln(αt-α∞) 对t作图,由所得直线的斜率求出反应速率常数 k,与初始浓度无关 ,蔗糖的称取本不需要非常精确,用台称称量 即可。 5. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,测出的旋光度与光源的波长,旋光管的长短、温度和溶液浓度有 关吗? ? ? 答:物质的旋光能力用比旋光度来度量: ? 20 D ? ?100 ? ,可见溶液的旋光度与溶液中所含物质的旋光能力、 l ?cA 溶液性质、溶液浓度、光源的波长、样品管长度及温度等均有关系。 6. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,测出速率常数与温度、溶液浓度、催化剂浓度和反应时间的长短 有关吗? 答:蔗糖转化反应的速率常数与温度、催化剂浓度有关,与溶液浓度、反应时间的长短无关。 7. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中, 在混合蔗糖溶液和 HCl 液时,我们将 HCl 液加到蔗糖溶液里去, 可以反过来混合吗? 答:不能,因为 H+是催化剂,将反应物蔗糖加入到大量 HCl 溶液时,H+浓度很大,一旦加入则马上会分解产生果糖 和葡萄糖,则在开始测量时,已经有大部分蔗糖产生了反应,记录 t 时刻对应的旋光度已经不再准确。反之,将HCL 溶液加到蔗糖溶液中去,由于 H+的浓度小,反应速率小,计时之前所进行的反应的量很小。 8. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,开始时旋光度在单位时间内变化较快,随着时间的延长,旋光度 在单位时间内变化愈来愈小,是否可得出这样的结论,即反应速率常数和反应速率随着时间的延长愈来愈小。 答:不能,反应速率常数与反应时间无关,只与温度、催化剂浓度有关,反应速率是随着时间的延长愈来愈小。在 旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,反应速率常数是以 Ln(α0-α∞)对t作图得一直线,从直线斜率求得反应 速率常数 k0。 9. 蔗糖的转化速率常数和哪些因素有关? 答:温度、催化剂的浓度及催化剂的种类有关。 10. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,用蒸馏水来校正旋光仪的零点,试问在蔗糖转化反应过程中所测 定的旋光度?t 是否必须要进行零点校正? 答:因为蒸馏水无旋光性,故可用纯蒸馏水作零点校正。在蔗糖转化反应过程中所测定的旋光度?t 可以不进行零点 校,因反应速率常数是以 Ln(α0-α∞)对t作图得一直线,从直线斜率求得反应速率常数 k0,αt-α∞ 可将系统的零点误差 消除掉。 11.在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,物质的比旋光度与光源的波长,旋光管的长短、温度和溶液浓度 有关吗? ? ? 答:物质的旋光能力用比旋光度来度量: ? 20 D ? ? ?100 ,比旋光度是物质本身的性质,仅与光源的波长和温度 l ?cA 有关,而与旋光管的长短和溶液浓度无关。 12. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,测定?t 和??是否要用同一根旋光管,为什么? ? ? 答:物质的旋光能力用比旋光度来度量: ? 20 D ? ? ?100 ,由上式公式可知,溶液的旋光度与溶液中所含旋光物 l ?cA 质的旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关,当其他条件均固定时,溶液的旋光度才与浓度 成正比关系,α=βc。 13. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,如何测量??? 答:将混合液的一半放入 50-60℃的恒温水浴中恒温 40min,取出冷至实验温度下测定其旋光度,在10-15 min 内读 取5-7 个数据,如在测量误差范围内,则取其平均值,即为?? 值。 14. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,测量??时,溶液没有冷至实验温度下就测定其旋光度,对结果有 无影响? ? ? 答:有影响,因为溶液的旋光度与温度有关。物质的旋光能力用比旋光度来度量: ? 20 D ? ? ?100 ,由上式公式 l ?cA 可知,溶液的旋光度与溶液中所含旋光物质的旋光能力、溶剂性质、溶液浓度、样品管长度及温度等均有关,当其 他条件均固定时,溶液的旋光度才与浓度成正比关系,α=βc。 15. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,如何判断测量溶液的旋光度即为??? 答:将混合液的一半放入 50-60℃的恒温水浴中恒温 40min,取出冷至实验温度下测定其旋光度,在10-15 min 内读 取5-7 个数据,如在测量误差范围内,则取其平均值,即为?? 值。 16. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,何时开始计时?为什么? 答:分别取 50mL 蔗糖水溶液和 50 mL 4mol·L-1 HCL 溶液于两个 100mL 锥形瓶中,并浸入恒温槽使恒温到实验的温 度。然后将 HCl 溶液全部倒入蔗糖溶液锥形瓶中(两瓶来回倒几次,使两者混合均匀),同时记下时间。因为 ln??t ??? ?=ln??0 ??? ?? kt 成立的前提是 t=0 时,产物浓度为零。 17. 在旋光法测定蔗糖转化反应的速率常数实验中,实验结束后,能否直接将旋光收起来? 答:不能,实验结束时,应将旋光管洗净干燥,防止酸对旋光管的腐蚀。 2 2、最大泡压法测定溶液的表面张力 1、简述最大泡压法测定溶液的表面张力的实验原理。 答:实验装置如图 83-4 所示。 将被测液体装于测定管中,打开滴液瓶活塞缓缓放水抽气,系统不断减压,毛细管出口将出现一小气泡,且不 断增大。若毛细管足够细,管下端 气泡将呈球缺形,液面可视为球面 的一部分。随着小气泡的变大,气 泡的曲率半径将变小。当气泡的半 径等于毛细管的半径时,气泡的曲 率半径最小,液面对气体的附加压 力达到最大,如图 5 所示。 在气泡的半径等于毛细管半 径时:p 内=p 外 气泡内的压力: p 内=p 大气-2γ/r 气泡外的压力: p 外=p 系统+ρgh 实验控制让毛细管端口与液面相切,即使 h=0,p 外= p 系统 根据附加压力的定义及拉普拉斯方程,半径为 r 的凹面对小气泡的附加压力为 于是求得所测液体的表面张力为 pmax = p 大气- p 系统= p 最大=2γ/r (6) ? ? r 2 ?pm ax ? K '?pmax (7) 此后进一步抽气,气泡若再增大,气泡半径也将增大,此时气泡表面承受的压力差必然减小,而测定管中的压 力差却在进一步加大,所以导致气泡破裂从液体内部逸出。最大压力差可用数字式压力差仪直接读出,K′称为毛细管 常数,可用已知表面张力的物质来确定。 3、的大小与那些因素有关? 答:表面张力 γ 表示了液体表面自动缩小趋势的大小,其大小与液体的成分、溶质的浓度、温度及表面气氛等因素 有关。 4、纯液体如何降低其表面自由能? 答:对于纯液体,纯液体表面层的组成与内部的组成相同,等温等压下,γ 为定值,要使dG下降,只有降低A。因此, 纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。因此液滴通常成球形。 dG ? ?dA 5、溶液如何降低其表面自由能? 答: dG ? ?dA 对于溶液,等温等压下,要使dG下降,除了降低表面积外,因溶液的γ 与溶液表面层的组成密切相关,还可由溶液 自动调节不同组分在表面层中的数量使γ 降低。 6、什么是溶液的表面吸附? 答:根据能量最低原则,当溶质能降低溶剂的表面张力时,溶质表面层中的浓度比溶液内部大;反之,溶质使溶剂 的表面张力升高时,溶质表面层中的浓度比内部的浓度低。这种表面浓度与溶液内部浓度不同的现象叫做溶液的表 面吸附。 7、水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变,根据变化情况可将溶质分为几类? 答 :水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变,根据变化情况可将溶质分为两类: 1)非表面活性物质 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。这些物质的离子有较 3 强的水合作用,趋向于把水分子拖入水中,非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。如果要增加单位表面 积,所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功,所以表面张力升高。 2)表面活性物质 加入后能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极 性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中,憎水基团企图离开水而指向空气,在界面定向排列。表面活性物质 的表面浓度大于本体浓度,增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大,表面活性也愈大。但习惯上,只把 那些溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质,称为表面活性剂。 8、表面活性物质在水溶液的表面是如何排列的? 答:表面活性物质分子都是由亲水性的极性基团和亲油性的非极性基团所构成,它们在水中的排列情况随其浓度不 同而异,浓度小时,分子可以平躺在表面上;浓度增大时,表面活性物质分子在溶液表面定向排列,分子的极性基 团取向溶液内部,而非极性基团取向空间;当浓度增至一定程度,溶质分子占据所有表面积,就形成了饱和吸附层。 再增大就会形成胶束。 9、溶液的表面吸附量是什么?它与哪些因素有关? 答:其定义为:单位面积表面层所含有溶质的物质的量比同量溶剂在本体溶液中所含溶质的物质的量的超出值。它 与温度,压力,溶液的表面张力及溶液的浓度有关。 10、如何求溶液的表面吸附量? 答:用吉布斯吸附等温式计算: ? ? ? c ?? d? ?? ,由实验测定一组恒温下不同浓度 c 的表面张力,以对 c 作图, RT ? dc ?? 可得到γ -c 曲线,将曲线上某指定浓度下的斜率 dγ /dc 带入吉布斯吸附等温式,即可求得该浓度下溶质在溶液表面 的吸附量Γ 。 11、什么是溶液的饱和吸附量?如何求? 答:当浓度足够大时,则呈现一个吸附量的极限值,即???? 。此时若再增加浓度,吸附量不再改变。所以 ?? 称 为饱和吸附量。 ?? 可以近似的看做是在单位表面上定向排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量。 12、溶液的饱和吸附量与溶质分子的横截面积有何关系?如何求溶质分子的横截面积? 答: ?? 可以近似的看做是在单位表面上定向排列呈单分子层吸附时溶质的物质的量。求出 ?? 值,即可算出每个被 1 吸附的表面活性物质分子的横截面积 As。则每个分子的截面积为: As ? ?? L 式中 L 为阿伏加德罗常数。 13、测溶液的表面张力有哪些方法? 答:测定表面张力方法很多,如毛细管上升法、滴重法、吊环法、最大压力气泡法、吊片法和静液法等。 14. 在最大泡压法测定溶液的表面张力的实验中,玻璃毛细管下端液面是高于、低于还是与溶液液面相切? 答:毛细管中下端液面应与溶液液面应相切。 15、液体表面层分子与液体内部的分子所处的环境是否一样? 答:界面两侧的环境不同;液体内部分子的吸引力是对称的,各个方向的引力彼此抵销,总的受力效果是合力为零; 处在表面层的分子受周围分子的引力是不均匀的,不对称的。 16、什么是表面张力?什么是表面自由能?两者有何区别和联系? 答:(1)在液气两相的界面上,液体分子所受液体内部分子的引力大于气体分子对它的引力,由此造成的使液体表 面缩小的力叫表面张力。 (2)在液体的内部任何分子周围的吸引力是平衡的。可是在液体表面层的分子却不相同。因为表面层的分子,一方 面受到液体内层的邻近分子的吸引,另一方面受到液面外部气体分子的吸引,而且前者的作用要比后者大。因此在 4 液体表面层中,每个分子都受到垂直于液面并指向液体内部的不平衡力(如图 83-l 所示)。这种吸引力使表面上的分 子向内挤,促成液体的最小面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗分子的内向力而作功,增加分子的位能。所 以说分子在表面层比在液体内部有较大的位能,这位能就是表面自由能。 (3) 它们的共同点是:都反映了表面分子受力不均匀的情况;两者的数值相同,量纲相同通常用同一符号表示。它们 的不同点是:两者的物理意义不同,表面自由能是指等温、等压、保持组成不变的条件下,可逆地增加单位表面积 时,体系吉布斯自由能的增值。表面张力是指表面层分子垂直作用于单位长度的边界上且与表面相切的收缩力。两 者的单位不同,表面自由能的单位是 J·m-2,而表面张力的单位是 N·m-1。 17、要做好最大泡压法测定溶液的表面张力实验的关键步骤有哪些? 答:要做好这个实验关键因素有:正丁醇溶液浓度要准确配制,测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行, 玻璃器皿必须洗涤清洁,毛细管及测定管一定要用待测液润洗;测定时毛细管一定要与液面保持垂直,端面刚好与 液面相切;控制好滴液瓶的放液速度,水的流速每次均应保持一致,尽可能使气泡呈单泡逸出,以利于 pmax 读数的 准确性;温度应保持恒定,否则对 γ 的测定影响较大。 18、用最大泡压法准确测定溶液的表面张力需注意哪些问题? 答:用最大泡压法准确测定溶液的表面张力需注意以下问题: (1)在测定有效数据之前一定要检查系统的气密性,否则数据不真实。 (2)连接压力计与毛细管及滴液瓶用的乳胶管中不应有水等阻塞物,否则压力无法传递至毛细管,将没有气泡 自毛细管口逸出。 (3)测定时毛细管及测定管应洗涤干净,以玻璃不挂水珠为好,否则,气泡可能不呈单泡逸出,而使压力计读 数不稳定,如发生此种现象,毛细管应重洗。 (4)测定时毛细管一定要与液面保持垂直,端面刚好与液面相切,若毛细管末端插入到溶液内部,则气泡外的 压力:p 外= p 系统+ρgh,此时因为 h 不等于 0,在气泡的半径等于毛细管半径时:p 内=p 大气-2γ/r=p 外= p 系统+ρgh pmax = p 大气- p 系统=ρgh +2γ/r 计算公式将只能采用 ? ? (?pmax ? ?gh)r 2 (5)控制好滴液瓶的放液速度,水的流速每次均应保持一致,尽可能使气泡呈单泡逸出,以利于读数的准确性。 (6)数字微压差仪上显示的数字为实验系统与大气压之间的压差值。要读取最大压力差数值,因为 pmax 与毛 细管的半径 r 是对应的,只有这样才能获得一致的数据。 (7)正丁醇溶液要准确配制,使用过程中防止挥发损失。测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行,毛 细管及测定管一定要用待测液润洗,否则测定的数据不真实。毛细管的清洗方法:将毛细管在下次被测溶液中沾一 下,溶液在毛细管中上升一液柱,然后用洗耳球将溶液吹出,重复 3~4 次。 (8)温度应保持恒定,否则对 γ 的测定影响较大。 19、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,测量液体表面张力时为什么要读取最大压力差? 答:因为 γ= r/2×pmax,只有气泡的半径等于毛细管的半径时,气泡的曲率半径最小,液面对气体的附加压力达到最 大,所以读取最大压差。 20、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,测量液体表面张力时滴水过快,对测量结果有何影响? 答:有影响,若测量液体表面张力时滴水过快就会使测定管中出气泡不是呈单个冒出,出泡速率快将使表面活性物 质来不及在气泡表面达到吸附平衡,也将使气体分子间摩擦力和流体管壁间的摩擦力增大,这将造成压力差增大, 使表面张力测定值偏高。 21、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,测量表面张力时毛细管末端插入到溶液内部进行测量行吗?为什么? 答:不行!如果将毛细管末端插入到溶液内部进行测量,则气泡外地压力:p 外= p 系统+ρgh,此时因为 h 不等于 0, 在气泡的半径等于毛细管半径时:p 内=p 大气-2γ/r=p 外= p 系统+ρgh pmax = p 大气- p 系统=ρgh +2γ/r 计算公式将只能采用 公公式 ? ? (?pmax ? ?gh)r 2 公式,那么在实验操作时,就需要测量 h,使实验变繁琐,不可取。 5 22、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,表面张力仪的清洁与否和温度的不恒定对测量数据有何影响? 答:若表面张力仪不干净,则气泡可能不成单泡冒出,使压力计读数不稳定,给实验带来较大的误差,同时表面张 力仪不干净会影响溶液的表面张力。因为表面张力与温度有很大的关系,如温度不恒定则对表面张力的测量会带来 较大的误差。 23、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,为什么要求从毛细管中逸出的气泡必须均匀而间断? 答:因为毛细管中逸出的气泡必须均匀而间断,使得所测最大压差准确。如抽气太快,气泡的形成与逸出快而不稳 定,将会使最大压差的读数不稳定,给实验带来较大的误差,可以通过控制滴液的速度快慢来控制出泡速度。 24、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,如何控制出泡速度?若出泡速度太快对表面张力测定值有何影响? 答:本实验控制出泡速率是通过控制滴定管中液体滴定速度来实现。若出泡速率快太将使表面活性物质来不及在气 泡表面达到吸附平衡,也将使气体分子间摩擦力和流体管壁间的摩擦力增大,这将造成压力差增大,使表面张力测 定值偏高。 25、在最大泡压法测定溶液的表面张力实验中,哪些因素影响表面张力的测定?应当如何减小或消除这些因素的影 响? 答:影响因素有:(1)系统的气密性;(2)毛细管及测定管是否清洗干净;(3) 滴液瓶的放液速度;(4)读取数字微 压差仪上压差值; (5)正丁醇溶液浓度是否准确配置。 减小或消除这些因素的方法有: (1)在测定有效数据之前一定要检查系统的气密性,否则数据不真实。 (2)连接压力计与毛细管及滴液瓶用的乳胶管中不应有水等阻塞物,否则压力无法传递至毛细管,将没有气泡自毛 细管口逸出。 (3)测定时毛细管及测定管应洗涤干净,以玻璃不挂水珠为好,否则,气泡可能不呈单泡逸出,而使压力计读数不 稳定,如发生此种现象,毛细管应重洗。 (4)测定时毛细管一定要与液面保持垂直,端面刚好与液面相切,若毛细管末端插入到溶液内部,则气泡外的压力: p 外= p 系统+ρgh,此时因为 h 不等于 0,在气泡的半径等于毛细管半径时:p 内=p 大气-2γ/r=p 外= p 系统+ρgh pmax = p 大气- p 系统=ρgh +2γ/r 计算公式将只能采用 ? ? (?pmax ? ?gh)r 2 (5)控制好滴液瓶的放液速度,水的流速每次均应保持一致,尽可能使气泡呈单泡逸出,以利于读数的准确性。 (6)数字微压差仪上显示的数字为实验系统与大气压之间的压差值。要读取最大压力差数值,因为pmax 与毛细 管的半径 r 是对应的,只有这样才能获得一致的数据。 (7)正丁醇溶液要准确配制,使用过程中防止挥发损失。测定正丁醇溶液表面张力时按从稀到浓依次进行,毛细管 及测定管一定要用待测液润洗,否则测定的数据不真实。毛细管的清洗方法:将毛细管在下次被测溶液中沾一下, 溶液在毛细管中上升一液柱,然后用洗耳球将溶液吹出,重复 3~4 次。 26. 玻璃毛细管插入不同的溶液中,毛细管中的液面高于、低于还是与溶液液面相平? 答:实际上,这里既涉及到润湿的问题,又涉及弯曲表面附加压力的问题,而这两个问题都与表面张力有关。 能润湿,则形成凹面,产生一指向溶液外部的附加压力,使毛细管中的液面高于溶液液面;如果接触角为90°,则形 成平面,不产生附加压力,毛细管中的液面与溶液液面相平;不能润湿,则形成凸面,产生一指向溶液内部的附加 压力,使毛细管中的液面低于溶液液面,如玻璃毛细管插入汞中。 3、固体在溶液中的吸附 1. 简述测定活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附求出活性炭比表面的实验原理。 答:根据固体对气体的单分子层吸附理论,认为固体表面的吸附作用是单分子层吸附,即吸附剂一旦被吸附质 占据之后,就不能吸附。Γ ∞为饱和吸附量,即固体完全被吸附质占据,再假定吸附质分子在吸附剂表面上是直立的, ?? ? 6.02?1023 ? 0.243 每个醋酸分子所占的面积以 0.243nm2 计算,则吸附剂的比表面 s0 ? ?? N Aa? ? 1018 ,则6只要求出Γ ∞,就可以求出吸附剂的比表面。 ? ? 固体在溶液中吸附量:??x?c0 ? c V , 固体在溶液中吸附符合兰格缪尔吸附等温式:mm???? 1 ck ? ck 重新整理可得: c ? 1 ? 1 c ? ?? k ?? ,以c?对c作图,得一直线,由直线的斜率可求得 Г∞, 2. 在固体在溶液中的吸附实验中,为了节省时间,如果震荡机一次放不下全部样品,那么,你认为应先放浓度低的 还是浓度高的样品去震荡?为什么? 答:应该先放浓度低的样品去振荡。因为在一定的浓度范围里,随着浓度的增大吸附越容易达到平衡,先放浓 度小的溶液振荡可节约时间。 3. 在固体在溶液中的吸附实验中,对滴定用的锥形瓶作如下的处理:(1)洗涤后锥形瓶没吹干,(2)用待测液洗涤 锥形瓶两次,问对实验有何影响? 答:(1)中的情形对实验没有影响,因为在滴定时,只与物质的量有关,而与浓度是无关的。(2)中的情形对 实验是有影响的,将会使实验的结果偏大,用待测液洗涤会使锥形瓶中的物质的量增大。 4. 在固体在溶液中的吸附实验中,如何判断吸附平衡的达到? 答: 取少许滴定,前后两次取样量相同,滴定消耗试剂的量在误差允许的范围内,则可判定已经达到了平衡。 5. 固体在溶液中的吸附实验中,活性碳在 HAc 水溶液中对 HAc 的吸附达到平衡后溶液的浓度会怎样? 答:达到平衡后溶液的浓度将降低到某一值后不再随时间的改变而改变。 6. 在固体在溶液中的吸附实验中,吸附作用与那些因素有关? 答:在固体在溶液中的吸附实验中,吸附作用与下列因素有关:(1)温度,固体在溶液中吸附是放热过程,因此,一般温度升高,吸附量减少。 (2)溶解度,溶解度越小的溶质越易被吸附。(3)吸附剂、溶质和溶剂的性质, 吸附服从相似相吸的原则。 (4)界面张力,界面张力越低的物质越易在界面上吸附。 7. 固体吸附剂吸附气体与从溶液中吸附溶质有何不同? 答:与气体吸附比较,溶液吸附更复杂,因为溶液中各种组分,包括溶剂、溶质、电解质溶液中的各种离子和 分子,均会在固—液界面上竞相吸附,存在一系列的可能互相关联的吸附平衡。其次溶液吸附较气体吸附要慢很多, 因为被吸附组分必须通过扩散穿越一个相当厚度的溶剂层方能到达固面。 8. 试比较弗罗因德利希吸附等温式与兰缪尔吸附等温式的优缺点? 答:弗罗因德利希吸附等温式是经验公式,比较简单易求,只适用于一些浓度适中的溶液;兰缪尔吸附等温式 适用的范围较广,能求出吸附剂的比表面积,但是比实际值小一点。 9. 在固体在溶液中的吸附实验中,如何加快吸附平衡的到达?如何判定平衡已经到达? 答:振荡,适当的升高温度可加快吸附平衡的到达。取少许滴定,前后两次取样量相同,滴定消耗试剂的量在 误差允许的范围内,则可判定已经达到了平衡。 10. 在固体在溶液中的吸附实验中,引入误差的主要因素是什么? 答:醋酸的挥发,实验过程并非是用蒸馏水,而是用自来水,其中溶有少量的 CO2,还有滴定的读数误差以及 系统误差等这些都是引入误差的因素。 11.根据兰格缪尔单分子层吸附的模型计算的比表面积,比实际值大还是小?为什么? 答:根据兰格缪尔单分子层吸附的模型计算的比表面积,往往要比实际数值小一些。原因有二:一是忽略了界 面上被溶剂占据的部分;二是吸附剂表面上有小孔,醋酸不能钻进去,故这一方法所得的比表面一般偏小。不过这 一方法测定时手续简便,又不要特殊仪器,故是了解固体吸附剂性能的一种简便方法。 12.在配制 50 mL 醋酸溶液时,要随时盖好瓶塞,为什么? 答:因为醋酸易挥发,随时盖好瓶塞以防醋酸挥发。 13. 从锥形瓶里取样分析时,若不小心吸入了少量的活性炭,对实验结果有什么影响? 答:使测得的平衡浓度偏大,计算的吸附量将偏小。 7 14. Freundlich 经验方程: lgГ= 1 n lgc +lgk 中的常数 k 和Langmuir 吸附等温式: ? ? ?? ck 1 ? ck 中的常数 k 是否 相同?为什么? 答:两个 k 是不一样的。 Freundlich 经验方程中的 k 是经验常数,由温度、溶剂、吸附质及吸附剂的性质决定,无物理意义;而Langmuir 吸附等温式中的 k 是吸附系数,带有吸附和脱附平衡的平衡常数的性质,有物理意义。 15. Freundlich 经验方程式的适用范围? 答:Freundlich 经验方程属于纯系经验方程式,只适用于浓度不太大和不太小的溶液。 16. 按记录表格中所规定的浓度配制 50 mL 醋酸溶液时,锥形瓶是否需要干燥?为什么? 答:必须干燥。因为醋酸的初始浓度是准确的,才能准确计算出活性炭对醋酸的吸附量。 17. 实验中为什么过滤活性炭时,要弃去部分最初滤液? 答:由于活性炭的吸附是通过自身空隙结构来实现,因此最初过滤的活性炭是饱和吸附的,空隙被醋酸分子填 满了,不能真实反映活性炭的吸附率,所以要弃去。 18. 活性炭在反复使用很多次老化后,继续用来进行实验,会对实验产生什么影响? 答:活性炭老化后,对醋酸的吸附作用减弱,造成实验结果偏小。 19. 实验中,先配制醋酸溶液,最后加入活性炭,这样做的目的是什么? 答:防止活性炭吸附水而产生误差。 4、 粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量 1、简述黏度法测定水溶性高聚物相对分子量的实验原理。 答:相对分子质量是聚合物的基础数据,但高聚物相对分子质量大小不一,参差不齐,一般在 103-107 之间,所以平 常所测高聚物的相对分子质量是平均相对分子质量。粘度法测定高聚物相对分子质量,设备简单,操作方便,有相 当好的实验精度,其适用的相对分子质量范围为 104-107。高聚物溶液的粘度,主要反映了液体在流动时存在的内摩 擦。 溶液粘度的命名 名称 符号和定义 溶剂的黏度 η0 溶液的黏度 η 相对粘度 ηr ?r ?? ?0 增比粘度 ηsp ?sp ? ?? ??0 ? ?0 ? ?r ? 1 比浓粘度 ?sp c ? ???? K '???2 c 比浓对数粘度 ln ?r c ? ??? ? ? ???2 c 特性粘度 ??? ? K M ? ?? ? ? lim ? sp ? lim ln ?r c?0 c c?0 c 测定液体粘度的方法,主要有毛细管法(测定液体通过毛细管的流出时间);落球法(测定圆球在液体里的下 落速度)及转筒法(测定液体在同心轴圆柱体间相对转动的影响)。在测定高分子溶液的特性粘度[η]时,以毛细管 法最为方便。 当液体在毛细管粘度计内因重力作用而流出时,遵守泊肃叶定律: 8 ? ? ?hgr4t ? m V ? ? ?hgr4 , ? ? mV ? ? ?t ? ? ? 8lV 8?lt 8lV 8?l ? t 式中 β100s 时,等式右边第二项可以忽略?r ?? ?0 ?t t0 进而可分别计算得到 ηsp、ηsp/c 和lnηr/c 值。配置一系列不同浓度的溶液分别进行测定,以ηsp/c 和lnηr/c 为同一 纵坐标,c 为横坐标作图,得两条直线,分别外推到 c=0 处,其截距即为[η],K,α 已知,即可得到 M 。 粘度法测定高聚物相对分子质量,最基础的是测定 t0、t、c,实验的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时 间、溶液浓度的准确度和恒温程度等因素 2、高聚物相对分子质量具有什么特点? 答:高聚物相对分子质量大小不一,参差不齐,一般在 103-107 之间,所以平常所测高聚物的相对分子质量是平均相 对分子质量。 3、什么是液体的黏度? 答:液体的黏度是指液体对流动所表现的阻力,这种力反抗液体中邻接部分的相对移动,因此可看作是一种内摩擦。 4、溶液的黏度包括哪些内摩擦? 答:溶液的黏度包括以下三种内摩擦:1)溶剂分子与溶剂分子之间的内摩擦,2)高聚物分子间的内摩擦,3)高聚 物分子与溶剂分子之间的内摩擦。 5、溶液的黏度与哪些因素有关? 答:溶液的黏度与溶质的结构、溶液浓度、溶剂性质、温度以及压力等因素有关。 6、什么是相对黏度 ηr、增比黏度 ηsp、比浓黏度 ηsp/c、比浓对数黏度 lnηr/c、特性黏度[η]? 答:在同一温度下,高聚物溶液的黏度 η 一般都比纯溶剂的黏度 η0 大,即η>η0。因为液体黏度的绝对值测定很困难, 所以一般都是测定溶液与溶剂的相对黏度 ηr: ?r ? ? ?0 (1) 相对于溶剂,溶液黏度增加的分数称为增比黏度,记为 ηsp,即: ? sp ? ? ??0 ?0 ??r ?1 (2) 相对黏度 ηr 反映的是溶液的黏度行为,增比黏度 ηsp 则反映的是扣除了溶剂分子之间的内摩擦效应,仅留下纯溶 剂与高聚物分子之间,以及高聚物分子之间的内摩擦效应。显然,溶液的浓度越大,黏度也越大,为了便于比较, 引入比浓黏度 ηsp/c 及比浓对数黏度 lnηr/c。当溶液无限稀释时,每个高聚物分子彼此相隔极远,其相互间的内摩擦可 忽略不计,此时溶液所表现出的黏度主要反映了高聚物分子与溶剂分子间的内摩擦,定义为特性黏度[η],其值与浓 度无关,仅取决于溶剂的性质及高聚物分子的形态与大小。计算公式如下: ??? ? lim ?sp ? lim ln?r c?0 c c?0 c (3) 在足够稀的高聚物溶液中,ηsp/c 和lnηr/c 与c之间的关系可由经验公 式表示: ?sp ? ???? K ' ???2 c (4) c 9 ln?r ? ???? ? ???2 c (5) c 式中,系数 K ' 与β分别称为赫金斯(Huggins)常数和克拉默(Kramler)常数。 K ' 表示溶液中聚合物之间和聚合 物与溶剂分子之间的相互作用,K 值一般来说对摩尔质量并不敏感。 因此,通过 ηsp/c 与c和lnηr/c 与c作图将得到两条直线,外推至 c=0 时所得截距即为[η],外推法求[η]如图 85-1 所示。 7、特性黏度[η] 与高聚物平均相对分子质量 M 有何关系? 答:高聚物分子的相对分子质量越大,则它与溶剂分子间的接触表面也越大,因此摩擦就大,表现出的特性黏 度也大。实验证明,当聚合物、溶剂和温度确定以后,特性黏度[η]的数值只与高聚物平均相对分子质量 M 有关, 它们之间的半经验关系可用马克-豪威克(Mark-Houwink)方程式表示: ??? ? KM ? (6) 式中 K 为比例常数 ,α 是与分子形状有关的经验常数。K 和α值与温度、聚合物和溶剂性质有关,在一定的相对分 子质量范围内与相对分子质量无关。K 值受温度的影响较明显,而α值主要取决于高分子线团在某温度下,某溶剂 中舒展的程度,其数值介于 0.5-1 之间。K 和α的数值只能通过其他方法确定,例如渗透压法、光散射法等。黏度法 只能测得[η],通过已经确实的公式来计算聚合物的相对分子质量。 8、测定液体黏度主要有哪些方法? 答:测定液体黏度主要有毛细管法(测定液体通过毛细管的流出时间);落球法(测定圆球在液体里的下落速度) 及转筒法或旋转法(测定液体在同心轴圆柱体间相对转动的影响)。 9、在什么情况下,相对黏度 ηr 等于溶液和溶剂的流出时间 t 和t0 之比? 答:当液体在毛细管黏度计内因重力作用而流出时,遵守泊肃叶(Poiseuille)定律: ? ?hgr 4t V ? ?m (7) ? 8lV 8?lt 式中 ρ 为液体的密度;l 是毛细管长度;r 是毛细管半径;t 是流出时间;h 是流经毛细管液体的平均液柱高度;g 为 重力加速度;V 是流经毛细管液体的体积;m 是与仪器的几何形状有关的常数,在r/l《l 时,可取 m=l 。 对某一支指定的黏度计而言,令(7)式可 ? ? ?hgr 4 , ? ? mV 改写为: 8lV 8?l ? ? ?t ? ? ? t (8) 式中 β100s 时,等式右边第二项可以忽略。又因通常测定是在稀溶液(小于 10 kg·m-3)中进行,所以溶 液的密度 ρ 与溶剂密度 ρ0 近似相等。这样,通过分别测定溶液和溶剂的流出时间 t 和t0,就可求算 ηr: ?r ? ? ?0 ? t t0 (9) 10、如何测定特性黏度[η]? 答:通过分别测定溶液和溶剂的流出时间 t 和t0,就可求算 ηr: ?r ? ? ?0 ? t t0 (9) 10 进而可分别计算得到 ηsp、ηsp/c 和lnηr/c 值。配置一系列不同浓度的溶液分别进行测定 t,以ηsp/c 和lnηr/c 为同一纵坐 标,c 为横坐标作图,得两条直线,分别外推到 c=0 处(如图 1 所示),其截距即为[η],代入(6)式(K,α 已知),即可 得到 M 。 11、黏度法测定高聚物相对分子质量的影响因素有哪些? 答:黏度法测定高聚物相对分子质量,最基础的是测定 t0、t、c,实验的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时 间、溶液浓度的准确度和恒温程度等因素。 12、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,如何保证溶液浓度的准确度? 答:1)高聚物在溶剂中溶解缓慢,配制溶液时必须保证其完全溶解,否则,会影响溶液起始浓度,而导致结果偏低。 2) 本实验溶液的稀释是直接在粘度计中进行的,因此,每加入一次溶剂进行稀释时必须混合均匀,并抽洗 E 球和G球,要注意多次(不少于三次)用稀释液抽洗毛细管,保持年度计内各处浓度相等。 13、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,如何准确测定液体流经毛细管的时间? 答:要准确测定液体流经毛细管的时间,必须注意以下几点: 1)所用粘度计必须洗净,因为微量的灰尘油污等会导致局部的堵塞现象,影响溶液在毛细管中流动,引起较大 的误差,所以在实验前应彻底洗净烘干。先用热洗液(经砂芯漏斗过滤)浸泡,再用自来水、蒸馏水分别冲洗几次。 每次都要注意反复流洗毛细管部分,洗好后烘干备用。其他容量瓶移液管等都要彻底洗净,做到无尘。 2) 测定时黏度计要垂直放入恒温水浴中,使水面超过 G 球lcm 左右,放置位置要适于观察液体流动情况,恒温 水浴搅拌器的搅拌速度应调节合适,如产生剧烈震动,将会影响测定的结果。 3)安装好后,用移液管吸取已知浓度的聚乙二醇溶液 10.00mL,由A管注入粘度计中,在C管处用洗耳球打气, 使溶液混合均匀,浓度记为 c1,恒温 10min,进行测定。测定方法如下:将C管上端的乳胶管用夹子夹紧,使之不 通气,在B管的乳胶管口用洗耳球慢慢抽吸,将溶液从 F 球经 D 球、毛细管、E 球抽至 G 球2/3 处,先拿走洗耳球 后,再松开 C 管上夹子,让其通大气,此时 D 球内的溶液即回入 F 球,使毛细管以上的液体悬空。毛细管以上的液 体下落,当液面流经 a 刻度时,立即按表开始记时,当液面降至 b 刻度时,停止计时,测得液体流经 a、b 线所需时 间,即刻度 a、b 之间的液体流经毛细管所需时间。重复三次,偏差应小于 0.2s,取其平均值,即为 t1 值。 4) 液体粘度的温度系数较大,实验中应严格控制温度恒定,溶液每次稀释恒温后才能测量,否则难以获得重现 性结果。 5) 用洗耳球抽提液体时,要避免气泡进人毛细管以及 G、E 球内进入,若有气泡 则要让液体流回 F 球后,重新抽提。 14、乌氏粘度计和奥氏粘度计有何区别?各有什么优点? 答:乌氏粘度计测定粘度,由于乌氏粘度计有一支 C 管,测定时 B 管中的液体在毛细 管下端出口处与 A 管中的液体断开,由于 C 管与大气相通,B 管中的液体下流时所受 压力差与 A 管中液面高度无关,即与所加的待测液的体积无关,所以可以在粘度计中 稀释液体。它最大的优点是样品溶液的体积不影响测定结果,因而可以在粘度计中逐渐 稀释溶液从而节省许多操作手续。除了乌氏粘度计,生产实际中经常使用奥氏粘度计测 定高聚物的平均摩尔质量。奥氏粘度计的结构如图所示,其操作方法与乌氏粘度计类似, 但是,而奥氏粘度计测定时,标准液体和待测液体的体积必须相同,因为液体下流时所 受的压力差与 A 管中液面高度有关。奥氏粘度计制作容易,操作简便,具有较高的 测量精度,特别适用于粘滞系数小的液体,如水、汽油、酒精、血浆或血清等的研究。 15、 用乌氏黏度计测黏度时,流经毛细管的时间与液体加入的总量的多少有无关系?为什么? 答:无关,与毛细管上方的小球容积有关,也与溶液的粘度有关。 16、 用乌氏黏度计测黏度时,在同一温度下,不同纯液体流经同一毛细管的时间越长,粘度就越大,是否正确? 答:对17、 在粘度法测定高聚物的分子量实验中,其溶剂和溶液的粘度的测定为什么在同一毛细管中进行?可否在两支同 型号的粘度计中分别进行? 11 答:测定必须在同一毛细管进行,因为对同一溶液不同毛细管的直径不同,流出时间也不同,所谓增比粘度是用同 一毛细管中溶液和溶剂的粘度比值,在一定条件下,该比例等于溶液和溶剂的流出时间比。 18、用粘度法测高聚物的分子量时,为什么要配制一系列不同浓度的高聚物进行相对粘度的测定? 答:是为了测定出不同浓度下的比浓粘度,然后将浓度外推到浓度为 0 时,求出的比浓粘度即为特性粘度,可以用 于计算分子量。 19、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,影响粘度准确测定的因素有哪些? 答:(1)毛细管的粗细,要保证流出时间在 100 秒以上;(2)适宜的溶液浓度,比较好的溶液浓度是保证增比粘度 在0.2 以上;(3)温度的准确性和稳定性,越稳定越好。 20、 用乌氏黏度计测黏度时,乌氏黏度计 C 管起什么作用,无C管对实验有什么影响?如何消除? 答:支管 C 的作用是与大气相通,使得 B 管中的液体完全是靠重力落下而不受其它因素影响。除去支管 C 仍可测定 粘度,只不过此时标准液体和待测液体体积必须相同,因为此时的液体下流时所受的压力差与 A 管中液面高度有关。 21、 用乌氏黏度计测黏度时,乌氏黏度计的毛细管太粗或太细,对实验测定结果有何影响?如何选择合适的毛细管? 答:粘度计毛细管太粗,流出时间太短,溶液与溶剂流出时间之比不是准确地等于两者粘度之比,由此计算出的分 子量将有较大误差,需要做动力学校正。毛细管较细对测定结果无影响,但测定所需时间较长。一般要求溶剂的流 出时间大于 100s. 22、特性粘度[η]就是溶液无限稀释时的比浓粘度,它和纯溶剂的粘度有无区别?为什么要用[η]来求算高聚物的 相对分子质量? 答:特性粘数的量纲与粘度的不一样,特性粘数不是粘度这种物理概念。能利用它求分子量是因为分子量和特性粘 ?? ? 数存在如下关系: ? ? K M 。 23、评价粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量的优缺点,适用的相对分子质量范围是多少?并指出影响准确测定结 果的因素。 答:粘度法测定高聚物相对分子质量,优点:设备简单,操作方便,有相当好的实验精度,缺点:实验操作要求严 格,粘度计的干净干燥度、垂直程度,恒温程度等均会带来实验误差;其适用的相对分子质量范围为 104-107。实验 的关键和准确度在于测量液体流经毛细管的时间、溶液浓度的准确度和恒温程度。 24、粘度法测定高聚物的分子量实验中,用乌氏黏度计测黏度时,粘度计为什么要洗净并干燥? 答:对于粘度计,有时微量的尘土、油污等都会产生局部的堵塞现象,从而影响溶液在毛细管中的流速,所以要洗 干净,若不干燥则会稀释溶液浓度则会使测定的时间比实际的变短,从而引起较大的实验误差,所以要洗净干燥。 25、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,每加入一次溶剂,为什么要恒温? 答:因为液体粘度的温度系数较大,温度对其影响大,所以要严格恒温,否则难以获得重现性结果。 26、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,每加入一次溶剂稀释时,为什么要用洗耳球抽吸? 答:为使浓度混合均匀,以免产生实验误差。 27、在粘度法测定高聚物的分子量实验中,测定粘度时,粘度计为什么要垂直放置? 答:因为测定时粘度计中的液体完全是靠重力落下,若不垂直的话会减慢液体流速,从而测定的时间比实际的要长, 产生较大的实验误差。 28、用粘度法测高聚物的分子量实验中,为什么不晃动粘度计? 答:晃动粘度计会影响时间的测定,从而产生实验误差。 5、 Fe(OH)3 溶胶的制备及其 ξ 电势的测定 1、溶胶是什么?其具有什么特征? 答:溶胶是一种半径为10-9-10-7m(1-100nm)固体粒子(称分散相)在液体介质(称分散介质)中形成的多相高分散系统。 由于分散粒子的颗粒小,表面积大,其表面能高,使得溶胶处于热力学不稳定状态,这是溶胶系统的主要特征。 2、溶胶的制备方法有哪些?本实验用什么方法制备Fe(OH)3溶胶? 答:溶胶的制备方法可分为分散法和凝聚法。分散法是用适当方法把较大的物质颗粒变为胶体大小的质点; 凝聚法是先制成难溶物的分子(或离子)的过饱和溶液,再使之相互结合成胶体粒子而得到溶胶。本实验是采用化学凝 12 聚法制备 Fe(OH)3 溶胶,即用 FeCl3 溶液在沸水中进行水解反应制备成 Fe(OH)3 溶胶,反应式如下: FeCl3 ? 3H 2O ?沸??腾? Fe?OH ?3 ? 3HCl Fe(OH)3溶胶的胶团结构式可表示为:{ [Fe(OH)3]m n (红棕色溶液) Fe3+ ,(3n-x)Cl– }x+ x Cl–。 3、水解反应制备成的Fe(OH)3溶胶为何需要纯化?如何纯化? 答:用上述方法制得的 Fe(OH)3 溶胶中,除Fe3+与C1-外,还有许多杂质离子,对溶胶的稳定性有不良的影响, 故必须除去,称为溶胶纯化。实验室对溶胶纯化,大多采用渗析法。渗析法是利用离子能穿过半透膜进入到溶剂中, 而胶粒却不能穿过半透膜。所以,将溶胶装入半透膜制成的袋内,将该袋浸入溶剂中,离子及小分子便透过半透膜 进入溶剂,若不断更换溶剂,则可将溶胶中的杂质除去。 4、电泳是什么? 答:在溶胶中,由于胶体本身的电离或胶粒对某些离子的选择性吸附,使胶粒的表面带有一定的电荷。在外电 场作用下,胶粒向异性电极定向移动,这种现象称为电泳。 5、ζ电势是什么? 答:发生相对移动的界面称为切动面,切动面与溶液本体之间的电势差称为电动电势或ζ电势。ζ电势的数值与胶 粒性质、介质成分及溶胶浓度有关。ζ电势是表征胶粒特性的重要物理量之一,在研究溶胶性质及实际应用中起着重 要的作用。溶胶的稳定性与ζ电势有着直接的关系,ζ电势的绝对值越大,表明胶粒所带电荷量越多,这样胶粒间排斥 力也就越大,溶胶越稳定;反之则表明溶胶越不稳定。当ζ电势为零时,溶胶的稳定性最差,此时可观察到溶胶的聚 沉。 6、本实验如何测定 Fe(OH)3 溶胶的 ζ 电势? 答:原则上,溶胶的电动现象〔电泳、电渗、流动电势、沉降电势)都可以用来 测定 ζ 电势,但电泳是最常用的测定方法。电泳法可分为宏观法和微观法。宏观法的 原理是观察溶胶与另一种不含胶粒的电解质溶液的界面在电场中的迁移速度,也称界 面电泳法。微观法则是直接观察单个胶粒在电场中的迁移速度。对于高分散的溶胶(如As2S3 溶胶、Fe(OH)3 溶胶)或过浓的溶胶,不易观察个别胶粒的运动,只能采用宏观法。 对于颜色太淡或过稀的溶胶则适宜用微观法。本实验采用宏观法。 本实验采用 U 形管电泳仪在一定的外加电场强度下测定 Fe(OH)3 胶粒的电泳速 率计算其 ζ 电势。原理图如图 86-1 所示。 在电泳仪两极间接上电位差 U(V)后,在t(s)时间内溶胶界面移动的距离为 d (m), 即溶胶电泳速度 v(m·s-1)为: v ?d/t (1) 当辅助液的电导率与溶胶的电导率相差很小时,相距为 L(m)的两极间的电位 梯度平均值 H(V·m-1)为: H ?U/L (2) 如果辅助液的电导率 κ0 与溶胶的电导率 κ 相差较大,则在整个电泳管内的电位降 是不均匀的,这时需用下式求 H: H ? ? ?0 U ?L ? LK ?? LK (3) 式中 LK 为溶胶两界面距离。为了简便,电泳实验中通常使用与溶胶电导率相同的辅助液。从实验中求得即溶胶电泳 速度 v 后,可根据下式计算 ζ(V)电势: ? ? K?? ? v (4) ?H 式中:K 为与胶粒形状有关的常数(对于球形粒子 K=5.4×1010V2·s2·kg-1·m-1;对于棒形粒子 K=3.6×1010V2·s2·kg-1·m-1, 13 本实验中Fe(OH)3 胶粒为棒形粒子); η 为粘度(kg·m-1·s-1) , ε 介质的介电常数(ln ? t ? 4.474266 ? 4.54426 ?10 ?3 t )。 7、本实验为了计算出 Fe(OH)3 溶胶的 ζ 电势需记录和测量哪些数据? 答:电泳仪两极间接上电位差 U(V); t(s)时间内溶胶界面移动的距离为 d (m);两极间相距 L(m)实验温度下 水的粘度(kg·m-1·s-1)和ε介质的介电常数( ln ? t ? 4.474266 ? 4.54426 ?10 ?3 t )。 8、制备半透膜时需要注意什么? 答:在一个内壁洁净、干燥的 250mL 锥形瓶中,加入约 20mL 火棉胶液,小心转动锥形瓶,使火棉胶液黏附在 锥形瓶内壁上形成均匀薄层,倾出多余的火棉胶。此时锥形瓶仍需倒置,并不断旋转,待剩余的火棉胶流尽,使瓶 中的乙醚蒸发至已闻不出气味为止(此时用手轻触火棉胶膜,已不黏手)。然后再往瓶中注满水(若乙醚末蒸发完全, 加水过早,则半透膜发白),浸泡 5min。倒出瓶中的水,小心用手分开膜与瓶壁之间隙。慢慢注水于夹层中,使膜脱 离瓶壁,轻轻取出,在膜袋中注入蒸馏水检查是否漏水,若不漏,将其浸入蒸馏水中待用。 (1)火棉胶液是硝化纤维的乙醇乙醚混合溶液,制备半透膜袋时,要远离火焰,注意回收残液。 (2)在制备半透膜时加水的时间应适中。如加水过早,因胶膜中的溶剂尚未完全挥发掉,胶膜呈乳白色,强度 差而不能使用;如加水过迟,则胶膜变干、脆,不易取出且易破裂。 9、为何可以用热渗析法纯化 Fe(OH)3 溶胶?如何判断 Fe(OH)3 溶胶已纯化好? 答:渗析法是利用离子能穿过半透膜进入到溶剂中,而胶粒却不能穿过半透膜。所以,将溶胶装入半透膜制成 的袋内,将该袋浸入溶剂中,离子及小分子便透过半透膜进入溶剂,若不断更换溶剂,则可将溶胶中的杂质除去。 热渗析法可已加快离子及小分子便透过半透膜的速度。 将制得的 Fe(OH)3 溶胶冷至约 60℃,注入半透膜内用线拴住袋口,置于 500mL 的清洁烧杯中,杯中加蒸馏水约 400mL,维持温度在 60℃左右,进行渗析。每20min 换一次蒸馏水,4 次后取出 1mL 渗析水,分别用 1%KSCN 溶液 检查是否存在 Fe3+,如果仍存在,应继续换水渗折,直到检查不出为止,将纯化过的 Fe(OH)3 溶胶移入一清洁干燥的 l00mL 小烧杯中待用。 10、本实验成败的关键是什么? 答:1)半透膜制备成功,2)Fe(OH)3 溶胶制备与纯化好,3)把Fe(OH)3 溶胶装入电泳管后,加辅助液时一定 要用滴管缓慢地沿 U 形管壁加入,使辅助液与 Fe(OH)3 溶胶间形成清晰的界面。 11、电泳速度的快慢与哪些因素有关? ? ? K?? ? v ? K??L ? v ?H ?U v ? ?? U K?? L 答:电泳速度的快慢与溶胶的 ξ 电势、介质的介电常数 ε、电泳仪两级间的电位差 U 成正比,与溶胶的黏度、电 泳仪两级间的距离成反比。 12、本实验中所用稀盐酸溶液的电导率为什么必须和所测溶胶电导率相等或尽量接近? 答:在电泳仪两极间接上电位差 U(V)后,当辅助液的电导率与溶胶的电导率相差很小时,相距为 L(m)的两 极间的电位梯度平均值 H(V·m-1)为: H ?U/L (2) 如果辅助液的电导率 κ0 与溶胶的电导率 κ 相差较大,则在整个电泳管内的电位降是不均匀的,这时需用下式求 H: H ? ? ?0 U ?L ? LK ?? LK (3) 式中 LK 为溶胶两界面距离。为了操作简便,电泳实验中通常使用与溶胶电导率相同的辅助液。 14 13、在电泳测定中如不用辅助液体,把电极直接插入溶胶中会发生什么现象? 答:不用辅助液,而将电极直接插在溶胶中的做法是错误的,因为溶胶电泳的同时,也在电解水,负极发生还 原反应产生氢气和氢氧根,会使 Fe(OH)3 溶胶聚沉,生成红棕色沉淀,干扰了主现象电泳的观察。没有参比,也无 法测定电泳速度。 14、 如果电泳仪事先没洗净,管内壁上残留微量电解质,对电泳测量结果将有什么影响? 答:可能改变 ζ 电势大小,甚至引起胶体的聚沉。 15、在Fe(OH)3 溶胶的制备及其 ξ 电势的测定实验中,如何量取两电极间的距离? 答:用线量出两电极间的 U 形导电距离。 16、 电泳实验中辅助液起何作用,选择辅助液的依据是什么? 答:辅液主要起胶体泳动的介质、电介质作用和与胶体形成清晰的界面易于观测等作用。 选择辅助液的依据是:①不能与胶体发生反应;②不挥发;③辅助液中阴阳离子迁移速率要相近;④辅助液的电导 率与胶体的电导率相等,这样可避免因界面处电场强度突变造成两壁界面移动速率不等而产生的界面分层不好,模糊。 17、 在Fe(OH)3 溶胶的制备及其 ξ 电势的测定实验中,为什么制备的溶胶必须经过纯化及老化后方能用于实验? 答:水解反应制得的 Fe(OH)3 溶胶中,除Fe3+与C1-外,还有许多杂质离子,对溶胶的稳定性有不良的影响,故必须 除去。 18、在Fe(OH)3 溶胶的制备及其 ξ 电势的测定实验中,实验表明 Fe(OH)3 胶粒带正或负电?并解释实验结果。 答: Fe(OH)3 溶胶的胶团结构式可表示为:{ [Fe(OH)3]m n Fe3+ ,(3n-x)Cl– }x+ x Cl–。可知 Fe(OH)3 溶胶胶粒带正电, 电泳时胶体向负极移动。 19、在Fe(OH)3 溶胶的制备及其 ξ 电势的测定实验中,在溶胶上面加入稀盐酸溶液时必须十分小心地沿着管壁慢慢滴 加,为什么? 答:为了得到清晰界面,便于后面电泳距离的测量。 6、偶极矩的测定 【注意事项】 1.每次测定前要用冷风将电容池吹干,并重测 C′空,与原来的 C′空值相差应小于 0.02PF。 2.测C′溶时,操作应迅速,池盖要盖紧,防止样品挥发和吸收空气中极性较大的水汽,影响测定 值。故操作要迅速,试剂和溶液应随时盖紧,溶液应透明不发生浑浊。 3.每次装入量严格相同,样品过多会腐蚀密封材料渗入恒温腔,实验无法正常进行。 4.注意不要用力扭曲电容仪连接电容池的电缆线,以免损坏。 【思考问题】 1.本实验测定偶极矩时做了哪些近似处理? (1)分子结构近似地看成是由电子云和分子骨架原子核及内层电子所构成,并认为正、负电荷中心的距离是 d 。 (2)由于 P 原子在 P 中所占的比例很小,在不很精确的测量中可以忽略 P 原子,认为 P = P 转向 + P 电子 。 (3)因为空气相对于真空的介电常数为 1.0006,与真空作介质的情况相差甚微,实验上通常以空气为介质时的电容 C 空作为 C0。 (4)以高频电场代替中频电场。 (5)以无限稀释溶液体系近似于分子间无相互作用、温度不太低的气相体系。 2.准确测定溶质的摩尔极化度和摩尔折射度时,为何要外推到无限稀释? 计算摩尔极化度和摩尔折射度的公式,只 适用于分子间无相互作用、温度不太低的气相体系。而用溶液法进行测定时,在溶液中存在有溶质分子与溶剂分子 以及溶剂分子与溶剂分子间作用的溶剂效应。所以要推至无限稀释后,溶质分子所处的状态才能够与气相中的情况 相似,可以通过公式求算各数据。 3.试分析实验中误差的主要来源,如何改进? (1)实验理论上,各种近似处理使实验本身就存在误差。 (2)溶液折射率、介电常数测量的主要误差来源。 15 7、络合物磁化率的测定 1、什么是磁化率?磁化率是用来表示物质的的磁性的物理量,等于磁化强度M与磁场强度H之比,即M??H 。在 化学中,常用质量磁化率 ?m 或摩尔磁化率 ? M 来表示物质的磁性: ?m ? ? ? ?M ; ?M ? ?m ? ? ?M ? 。 2、辨析顺磁性物质、逆磁性物质、铁磁性物质。 在外磁场的作用下,具有永久磁矩的物质既有顺磁性也有反磁性,此类物质的摩尔磁化率 ? M ? ?顺??反 。对于 顺磁性物质 ?顺?? ?逆 ,则可近视处理, ?M ? ?顺 。对于逆磁性物质,则只有 ? 逆 ,所以它的 ?M ? ?逆。物质被磁化的强度与磁场强度不成正比关系,而随着外磁场强度的增加而剧烈增强,而且在外磁场消失后其磁性并 不消失。这种物质称为铁磁性物质。 3、磁化率与分子磁矩的关系是什么?与未成对电子数的关系是什么? 磁化率是物质的宏观性质,分子磁矩是物质的微观性质,用统计力学的方法可以得到摩尔磁化率和分子永久磁矩 ?m 间的关系,即 ?顺 ? L? 0 ? 2 m 3KT ? C T ,式中 ?m 与未成对电子数n的关系为: ?m ? ?B n( n ? 2 ) 。 4、结合教材古埃磁天平工作原理示意图,简述磁化率的测定原理。 通过物在不均匀磁场中所收到的力,求出物质的磁化率。对于顺磁性物质,在不均匀磁场中,当不考虑周围介质和 当地磁场强度的影响时,整个样品所受的力为: f z ? 1 2 ? ? ?0 ? H 2 ? A 由于样品所受磁场力作用使天平失去平衡, 可在天平的另一臂减砝码使其平衡,设质量差为 ?m 则有: fz ? 1 2 ? ? ?0 ?H2 ?A? g?m 又由于 ? ? ?m ? ? M , ? ? m h? A 则?M ? 2?m ? g ? h ? M ?0 ? m ? H 2 , 式中磁场高度H可测,?M 与热力学温度T的关系为:?M ? 9500 ? 4?? T ?1 ?10?9 。 5、样品需要作什么预处理,怎么样装入样品管?对管内样品高度有何要求? 预处理:样品应先研细,放在装有浓酸的干燥器中干燥。装入方法:取下样品管用小漏斗装入样品,并不断让样品 管底部在软垫上轻轻碰击,是样品均匀填实,直至所要求的高度。高度要求:样品高度在10cm以上,用尺准确测量。 6、称量时,样品管怎么样放置才好? 称量时,样品管应正好处于两磁极之间,其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线不与任何物件接触。 7、本实验磁天平的励磁电流和磁场强度有何关系? 不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同? 相同,摩尔磁化率是物质特征的物理性质,不会因为励磁电流的 不同而变。 8、简述实验过程,并说明关键步骤(操作)是什么? 实验过程:1、开机预热(电子天平30min)2、安装样品管,样品管应尽可能处于两磁头的中心位置3、设置仪器4、 测量不同磁场强度下的 ?m空管(H)5、测量不同磁场强度下莫尔氏盐的 ?m空管?样品(H)6、测量不同磁场强度下样 品的 ?m空管?样品(H)7、测量完毕后将电流调到最小关机。关键步骤:1、样品的安装及样品的加入2、不同磁场强 16 度下 ?m空管(H)和?m空管?样品(H) 9、讨论本实验的误差因素。 1、样品高度为均匀填实是样品的高度与标样的高度不一致带来误差 2、 样品管在磁场中的位置:样品管的底部要位于磁极极缝的中心与两磁极两端距离相等。 6、参比电极应具备什么条件?有何作用? 答:参比电极应具备的条件是:(1)必须是可逆电极,它的电极电势也是可逆电势;(2)必须具有良好的稳定 性和重现性,即电极电势稳定,不易在空气中发生反应,与放置时间影响不大,各次制作的同样的参比电极,其电 极电势也基本相同;(3)由金属和金属难溶盐或金属难溶氧化物组成的参比电极属于第二类电极,如银-氯化银电极、 汞-氯化汞电极、汞-氧化汞电极,要求这类金属的盐或氧化物在溶液中的溶解度很小。 参比电极作用:与被测电极组成电池,通过测量电池电动势,然后根据参比电极的电势求得被测电极的电极电 势。 池的电动势。电池与伏特计接通后有电流通过,在电池两极上会发生极化现象,使电极偏离平衡状态。另外, 电池本身有内阻,伏特计所量得的仅是不可逆电池的端电压。 因此电池电动势不能直接用伏特计来测定。 14. 盐桥的作用是什么?选择盐桥液应注意什么问题? 答:盐桥的作用是降低液接电势,但不能完全消除。选择盐桥液应注意以下几个问题:①用作盐桥的电解质正 负离子的摩尔电导率尽可能接近;②用作盐桥的电解质不能与电池中的电解质发生反应;③盐桥中盐的浓度要很高, 常用饱和溶液。因此常用饱和 KCl 溶液作为盐桥,因为 K+与Cl-的迁移数相近,当有 Ag+时,用KNO3 或NH4NO3 饱和溶液。 15. 在原电池电动势的测定实验中,如何判断所测量的电动势为平衡电势 ? 答:为判断所测量的电动势是否为平衡电势,一般应在 15min 左右时间内,等间隔地测量 7-8 个数据。若这些数 据是在平均值附近摆动,偏差小于±0.5mV,则可认为已达平衡,可取其平均值作为该电池的电动势。 16. 什么是原电池的电动势? 答:电池在电流无限小(即电池处于平衡状态)时的电势。 17. 如何维护和使用标准电池以及检流计? 答:标准电池的使用:切勿将电池倒转、倾斜或者摇动;正负极不能接错;校正电位计用,不作电源,不允许 有10-4A 以上的电流通过,故绝不可用伏特计测其电压或用万用表试其是否为通路。 检流计的使用:检流计两端的电压不能过大,否则会造成电流超过检流计的最大量程值,损坏检流计;在使用 之前要检查指针是否指零,如果不指零就要手动调节,否则会测出错误的值;最后,和检流计相串联的滑动变阻器 要足够大,在减少滑动变阻器的时候尽量缓慢,不可忽变! 17