凝固點降低測定物質摩爾質量實驗裝置的改進

白云山李世榮 安潔 羅五魁

(陜西師范大學化學與材料科學學院 陜西西安710062)

凝固點降低測定物質摩爾質量實驗裝置的改進

白云山*李世榮 安潔 羅五魁

(陜西師范大學化學與材料科學學院 陜西西安710062)

介紹一種改進的凝固點降低法測定物質摩爾質量的實驗裝置，通過調節合適的阻凝溫度與散熱補償電流，對樣品凝固點的測定精度可以達到±0.003℃，對樣品摩爾質量的測定誤差可控制在0.5%左右。

凝固點降低法是測定物質摩爾質量的經典方法之一，亦是物理化學實驗的基本實驗之一。

傳統的凝固點測定裝置如圖1所示，該裝置存在的問題主要有:(1)操作復雜，要求實驗者同時進行恒溫槽溫度控制、樣品及恒溫槽攪拌、溫度讀取等操作，容易顧此失彼。(2)樣品起晶困難，往往造成過冷程度過大，引入負偏差。(3)以手掌為熱源對樣品進行加熱，樣品升溫程度難以控制，延長了實驗時間。(4)系統不封閉，空氣中的水蒸氣往往會對測量產生干擾，在高溫高濕天氣很難取得滿意結果。(5)在該裝置中，當樣品達到固液兩相平衡時，系統散熱仍在進行，體系所能到達的是動態平衡而非靜態平衡，從而導致溫度測量結果偏低。另外，由于攪拌速度慢，樣品均勻程度低，使溫度測量結果波動較大。

圖1 傳統凝固點測定裝置示意圖

近年來，對該實驗的改進主要集中在以下幾個方面:

(1)使用數字貝克曼溫度計取代玻璃貝克曼溫度計［1-2］，簡化了讀數方式。(2)將恒溫槽改為電制冷［3-4］，取代手工加入冰塊的制冷方式，大大提高了控溫精度，特別是為取得低于0℃的水浴降低了成本，提供了方便，亦將該實驗由環己烷(苯)-萘體系改為水-尿素(蔗糖)體系創造了條件。(3)將上下拉動的攪拌方式改為磁力攪拌［5］，使測量體系實現了封閉，減小了環境中的水蒸氣和樣品的揮發對測定的干擾。事實上，磁力攪拌要達到與上下拉動攪拌相同的效果必須提高攪拌速率，而攪拌速率的提高使體系散熱加快，導致測量結果偏低程度加劇。同時提高攪拌速率加重了樣品首先在氣液界面處結晶析出的問題，使測量終點難于觀察。(4)改進樣品的起晶方式［6-8］，以減少體系過冷程度從而減小誤差。但若采用加入晶種的方式，會導致溶液濃度發生較大的變化，降低平行測定結果之間的精度。

以上改進由于未從根本上改變體系所達到的固液平衡是動態平衡而非靜態平衡的本質，所以很難從根本上解決該實驗費時、費力且測不準的問題。基于此，我們設計了新型凝固點測量系統，在實際應用中取得了良好的效果。

1 實驗裝置的改進

改進的實驗裝置如圖2所示，與傳統的凝固點測定裝置比較，其改進主要有:

(1)將由樣品管和空氣套管組成的兩層玻璃儀器，改為由樣品管、加熱套管和空氣套管組成的3層玻璃套管。加熱套管是將加熱用電阻絲纏繞在玻璃管上構成，從加熱線圈上引出的3根導線使加熱線圈分別構成上下兩個獨立的加熱單元，分別稱為加熱線圈1和加熱線圈2。加熱線圈1有兩個作用，一是對樣品進行加熱，可有效控制樣品溫度的上升幅度;二是當體系達到固液兩相平衡時對樣品的散熱進行補償(通過對線圈施加一定電流，即散熱補償電流實現)，使系統達到固液平衡時更趨近于靜態平衡，從而使測量結果更加準確。加熱線圈2主要用于防止樣品在容器壁及氣液界面上結晶析出，通過溫度傳感器2與控溫儀設置一定的溫度(稱為阻凝溫度)配合使容器壁及樣品上方空氣的溫度不低于設定值。

(2)實驗前將數字貝克曼溫度計電源打開預熱4h，可得到穩定精確的測量結果，使平行測量結果之間偏差達到±0.003℃要求。

(3)直接使用冰水浴，并采用磁力攪拌，提高了實驗的可操作性。

圖2 改進后的實驗裝置圖

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

分析天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司)，改進的凝固點測量裝置(自制);環己烷(分析純，國藥集團化學試劑有限公司，經蒸餾提純，分子篩脫水)，萘(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

2.2 實驗方法

首先在水浴中加冰獲得冰水浴，然后用量筒量取30mL環己烷于干燥的樣品管中，在分析天平上稱重為23.3543g。調節樣品套管的位置，使上下兩個攪拌子處于同軸線上。打開控溫儀開關，設定并控制阻凝溫度為7.5℃，觀察樣品的降溫過程，當樣品中出現結晶，溫度開始回升時，打開加熱線圈1的電源開關，調節加熱電壓為1.5V，當樣品溫度回升至最高點時，記錄該溫度值作為溶劑的凝固點。記錄完畢，調節加熱線圈1的電壓為5V，使樣品溫度回升0.5～1℃后，關閉加熱線圈1的電源開關，使系統降溫并按上述方法進行測量。平行測量3次后在樣品管中加入經壓片稱量的0.1680g萘，用同樣方法測定溶液的凝固點。

3 結果與討論

萘摩爾質量的測定結果如表1所示。

表1 環己烷體系凝固點測定數據

用改進裝置測定萘摩爾質量的實驗操作比傳統測定操作簡單易行，具有反復測量重現性好的特點。同時，該裝置對溶劑及溶液凝固點的測定進行了散熱補償，提高了實驗測量精度，使凝固點的測量精度達到了±0.003℃。在實際操作中，通過選擇合適的散熱補償電流，可將樣品摩爾質量的測定誤差穩定控制在0.5%左右。

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