材料物理化学实验.docx
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材料物理化学实验
实验要求
1.班长按学号将每班分成八组；
2.一个班进行实验完毕后换另一个班；
3.班长与实验指导教师保持联系，按照要求规定的时间、地点和班级进行实验；
4.预习所做的实验内容；
5.实验材料首页的“原始数据记录”要求每小组打印一份，手写记录相关数据，实验做完经指导老师签字后方可离开；
6.实验报告按照“材料物理化学实验报告格式”模板进行书写（要求打印模板、手写），要求贴上原始数据记录单，小组内成员可以复印本小组的“原始数据记录”进行粘贴；
7.听从指导老师安排，按要求操作设备；
8.注意实验安全，保持实验室卫生。
材料物理化学-原始数据记录
实验名称：
实验时间：
；室温：
；
同组学生：
；
实验数据记录：
指导教师签名：
日期：
年月日
备注：
1、上课时准备好本记录纸，实验中按要求记录，完成后指导教师进行签名。
2、本记录要求附在实验报告中，复印即可。
实验一凝聚态物质燃烧焓的测定
一、实验目的：
1、使用弹式量热计测定萘的燃烧焓。
2、了解量热计的原理和构造，掌握其使用方法。
二、实验原理：
在适当的条件下，许多有机物都能迅速地完全进行氧化反应，这就为准确测定它们的燃烧热创造了有利条件。
若使被测物质能迅速而完全地燃烧，就需要强有力的氧化剂。
在实验中经常使用压力为1.5-2MPa的氧气作为氧化剂。
用氧弹式量热计（见实验装置部分）进行试验时，氧弹放置在装有一定量水的金属水桶中，水桶外是空气隔热层，再外面是温度恒定的夹套。
样品在体积固定的氧弹中燃烧放出的热、引火丝燃烧放出的热和由氧气中微量的氮气中微量氮气氧化成硝酸的生成热，大部分被水桶中的水吸收；另一部分则被氧弹、水桶、搅拌器及温度计等吸收。
在假设量热计与环境没有热交换的情况下，可写出如下的热量平衡式：
-Qv×a-q×b+5.98c=K△t
（1）（近似平衡）
QV—被测物质的定容热值，J·g-1；
a—被测物质的质量，g；
q—引火丝的热值，J·g-1（铁丝为-6.7kJ·g-1）；
b—烧掉的引火丝的质量，g；
5.98—硝酸生成热，当用0.100mol·L-1NaOH滴定生成的硝酸时，每1mL碱相当于5.98J热量；
c—滴定生成硝酸时，耗用0.100mol·L-1NaOH的毫升数；
K—量热计常数；
△t—与环境无热交换时的真实温差。
（1）中的a、b、c、q均可通过实验测得或为已知量，K值可以通过测量一个已知标准摩尔反应焓的标准物而计算。
这样可以求得待测物的Qv，通过Qv可计算出定容摩尔燃烧热ΔcUm（公式2），如果把气体看成理想的，且忽略压力对燃烧热的影响，则可求出标准摩尔燃烧热（公式3）。
ΔcUm=Qv×M
（2）
M—待测物的摩尔质量
定容热换算为标准摩尔燃烧热：
△cHφm=△cUm+△nRT（3）
△n—燃烧前后气体的物质的量的变化；
T—用反应的水温计算，不会产生较大的误差。
实际上，量热计并非严格绝热系统，难免与环境发生热交换，因而从温度计上读得的温差就不是真实的温差△t。
为此，必须对读得的温差进行校正，下面是常用的经验公式：
△t校正=（V+V1）m/2+V1×r
（2）
真实温差△t应该是：
△t=t高-t低+△t校正
V—点火前，每半分钟量热计的平均温度变化；
V1—样品燃烧使量热计温度达最高而开始下降后，没半分钟的平均温度变化；
m—点火后，温度上升很快（大于每半分钟0.3℃）的半分钟间隔数；
r—点火后，温度上升较慢的半分钟间隔数。
t高—点火后，量热计达到最高温度后，开始下降的第一个读数（点火后温度升到最高时，系统还未完全达热平衡，而温度开始下降的第一个度数则更接近热平衡温度）；
t低—点火前读得量热计的最低温度。
读得的数据可以画成温度、时间曲线。
如图1所示
图1氧弹法测量燃烧焓的温升示意图
三、实验仪器与试剂
氧弹式热量计，精密电子天平，电子天平SE2020，数显万用表，氧气钢瓶，氧气减压阀，萘（分析纯）
四、实验装置：
图2氧弹量热计装置结构示意图
图3氧弹量热计装置照片
五、实验步骤：
1、先粗称萘，压片，再准确称量。
2、打开氧弹盖，将盖放在专用架上。
3、剪取引火丝，精确称量，将引火丝贯穿药片，固定引火丝使药片悬在坩埚上方。
4、拧紧氧弹盖，将氧弹放好。
充氧。
5、量取3升自来水装入干净的铜水桶中。
放入氧弹，接好点火电线，装上热电偶，盖好盖子，开动搅拌器。
6、待温度稳定，每隔半分钟读数一次，先读10个数据，然后立即按电钮点火。
7、继续每半分钟读数，至温度开始下降后，再读取最后阶段的10次读数，停止实验。
8、实验完毕，清洗仪器，关闭电源，整理实验台。
六、数据记录与处理
1、列出记录表格，计算△t校正，计算量热计常数。
室温：
；大气压：
；实验日期：
萘的质量：
；点火丝质量：
；剩余点火丝质量：
；
表一：
萘的氧化升温表
序号
温差
序号
温差
1
17
2
18
3
19
4
20
5
21
6
22
7
23
8
24
9
25
10
26
11（点火）
27
12
28
13
29
14
30
15
31
16
32
2、做升温曲线图。
3、计算萘的标准摩尔燃烧热△cHφm。
七、思考讨论
1、写出样品燃烧过程的反应方程式。
说明如何根据实验测得的Qv求出△cHφm。
2、将计算的萘的标准摩尔燃烧热△cHφm与文献值比较，思考误差来源。
八、注意事项
1、压片时，应注意压片机的清洁，不能混入其它杂质。
2、样品应悬在坩埚上面，应防止引火丝与坩埚相碰。
3、实验时应注意水桶中的水温与环境的温度，如果水温比环境温度低，应在夹套中加入比水桶温度低1.5℃左右的水。
4、测温时，应先按零，然后按锁定键，否则实验过程中温度可能会从温差跳回过温度，造成实验失败。
实验二金属材料二组分合金相图
一、实验目的：
1、理解步冷曲线，学会用热分析法测绘锡-铋合金相图。
2、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法。
二、实验原理：
用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们之间随浓度、温度、压力等变量变化的关系图叫相图。
将一种合金或金属熔融后，使之逐渐冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间的关系曲线称为步冷曲线。
当熔融系统在均匀冷却过程中没有相的变化，其将连续均匀下降，得到一条平滑的冷却曲线；如在冷却过程中发生了相变，则因放出相变热，使热损失有所抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。
对于简单的低共熔二元系统，具有图1所示的三种形状的步冷曲线。
测定一系列质量百分比含量不同的样品的步冷曲线，找出各相应体系发生相变的温度，即可绘出合金相图，如图2所示。
用热分析法测绘相图时，被测系统必须时时处于或接近相平衡状态，因此系统的冷却速度必须足够慢才能得到较好的结果。
图1典型的步冷曲线
图2一系列不同质量百分比含量的合金步冷曲线及相图。
三、实验仪器与试剂
氧弹式热量计，精密电子天平，电子天平SE2020，数显万用表，氧气钢瓶，氧气减压阀，萘（分析纯）
不锈钢试样管8个，纯铋，纯锡，松香或石墨。
四、实验装置：
图2装置示意图
1电源；2控温仪；3热电偶；4热电偶外套；5不锈钢样品管；6试样；7电炉
图3二组分合金相图装置照片
五、实验步骤：
1、配置样品：
用精度为0.1g的电子天平分别配置铋含量为0%，30%，58%，80%，100%的锡铋混合物各100g，分别放入8个不锈钢管中，用松香或石墨覆盖防止氧化。
2、仔细阅读设备说明书，对照进行试操作，熟悉设备的性能和操作规程，熟悉电脑中相关软件的使用方法。
3、将装入样品的不锈钢管放入升降温炉中，插上热电偶。
当温度达到设定温度时，停止加热，此时炉内温度会继续升高，待升温到金属熔点以上，取出摇匀不锈钢管中的混合物，再插入炉中自然冷却。
4、开始记录降温数据，至降至合适温度为止。
5、试验完成，处理数据，关闭电源，整理试验台。
六、数据记录与处理
室温：
；大气压：
；实验日期：
表一：
实验数据表
0%
30%
58%
80%
100%
T
t
T
t
T
t
T
t
T
t
七、思考讨论
1、金属熔融系统冷却时，步冷曲线为什么出现转折点？
纯金属、低共熔金属及合金等的转折点各有几个？
曲线形状为何不同？
2、有时在出现固相的步冷曲线转折处出现凹陷的小弯，是什么原因造成的？
八、注意事项
1、温度设定合理，升降温电炉的功率较大，如果温度设置过高会造成炉内温度继续升高并远远超过设定温度，导致设备超过测量极限，损坏设备，使降温速度过慢，增加实验时间。
2、不要用手触摸高温不锈钢样品管，以免烫伤。
3、认真阅读测试软件的附件材料，熟悉软件操作和参数设定。
实验三凝固点降低法测定摩尔质量
一、实验目的
用凝固点降低法测定萘的摩尔质量。
二、实验原理
溶液的凝固点通常指溶剂和溶质不生成固溶体的情况下，固态纯溶剂和液态溶液成平衡时的温度。
当溶液浓度很稀时，溶液的凝固点降低与溶质的质量摩尔浓度成正比：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
式中：
△Tf—凝固点降低，K；b—溶质的质量摩尔浓度，mol·kg-1；Kf—凝固点降低常数，K·kg·mol-1；Wa—溶剂的质量，g；Wb—溶质的质量，g；Mb—溶质的摩尔质量g/mol，g。
（注：
环已烷Kf=20.0）。
纯溶剂的凝固点是其液—固共存的平衡温度。
将纯溶剂逐步冷却时，在未凝固之前温度将随时间均匀下降。
开始凝固后由于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不变，直到全部凝固，再继续均匀下降。
但在实际过程中经常发生过冷现象，其冷却曲线如图2.3.1（a）。
溶液的凝固点是溶质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，剩下溶液的浓度逐渐增大，因而溶液的凝固点也逐渐下降如图2.3.1（b），故须用外推法求Tf。
三、仪器与试剂
仪器装置见图2.3.2。
电子贝克曼温度计，凝固点测定仪。
分析纯萘丸；分析纯环已烷。
四、实验步骤
1.将冰敲成碎块，冬天可于冰浴槽装三分之一的冰，三分之二的水，夏天宜冰水各半（冰块适量增大），适当加以搅拌保持冰水浴3℃左右，可随时加减冰和水调节。
2.打开电子贝克曼温度计，将“温度—温差”按钮置于“温度”位置，预热十分钟以上，按图组装好仪器（如图2.3.2）。
3.用移液管移取30ml环已烷加入干净的干燥的凝固点测定仪内管中，安装好电子贝克曼温度计和玻璃搅拌器，温度计居中，下端距管底约1cm。
用木塞塞好管口。
4.先把测定仪的内管直接放入冰水中，均匀搅拌，记录其温度变化，粗测凝固点的温度，如液体过冷超过0.2℃仍不结晶，则可沾一滴环已烷晶种（由冰水浴中另一小试管制得）加到提起的搅拌器上，继续搅拌即可促使结晶。
5.按图2.3.2组装好仪器（此时内管放置于外管组成空气夹套），严格按照要求测定环己烷的凝固点温度。
每分钟记录一次数据，在凝固点附近每半分钟记录一次数据。
重复三次测定溶液凝固点。
6.用分析天平称取0.15～0.20g纯萘丸投入内管中，立即塞好管口，搅拌使萘完全溶解，按照步骤4、5进行实验，每分钟记录一次数据，在凝固点附近每半分钟记录一次数据。
重复三次测定溶液凝固点。
图2.3.1冷却曲线图2.3.2凝固点测定装置
五、数据记录与处理
（室温：
；大气压：
；实验日期：
）
1.实验结果记录录参见表2.3.1和表2.3.2所示。
表2.3.1：
凝固点降低测萘的摩尔质量数据记录
溶剂凝固点的测定
（粗测）
时间/min
温度/℃
1
2
溶剂凝固点的测定
（精测）
时间/min
温度/℃
1
2
表2.3.2：
凝固点降低测萘的摩尔质量数据记录
溶液凝固点的测定
（粗测）
时间/min
温度/℃
1
2
溶液凝固点的测定
（精测）
时间/min
温度/℃
1
2
2.根据实验数据，参照图2.3.1作图，用外推法确定环已烷凝固点
和溶液凝固点
，计算
；
3.由环己烷的密度、体积，求取环己烷的质量，再有公式（3-1）~（3-3）计算萘的摩尔质量。
六、思考题
1.什么叫凝固点?
凝固点降低的公式在什么条件下才适用?
它能否用于电解质溶液?
2.为什么会产生过冷现象?
3.为什么要使用空气夹套？
过冷太甚有何弊病？
4.测定环已烷和萘丸质量时，精密度要求是否相同?
为什么?
七、教学讨论
1.根据稀溶液依数性，用凝固点下降法测得的是数均摩尔质量。
因此在测定大分子物质时必须先除去其中所含溶剂和小分子物质，否则它们将给结果带来很大影响。
2.用凝固点下降法测摩尔质量往往与所用溶剂类型和溶液浓度有关。
如被测物质在溶剂中产生缔合，离解或溶剂化等现象都会得出不正确的结果。
3.在不同浓度下进行测定后再外推至无限稀可得较好的结果。
4.环已烷的Kf=20.2，较苯的Kf=5.12大4倍，且其毒性较小，故教学实验宜选用环已烷作溶剂。
5.用电子温度贝克曼计代替贝克曼温度计的优点是热敏电阻热容量小，操作轻便，简单直观，便于用外推法得到比较准确的凝固点。
八、课余实践
1.凝固点降低法具有设备简单，不受外压的影响（相对于沸点升高法），低温操作溶剂挥发损失小，一般溶剂均有较大的凝固点下降常数等优点。
2.樟脑具有较大的凝固点降低常数，因而对大分子物质的测定有利。
但须注意市售樟脑不纯其Kf值应重作测定。
如果待测物质不溶于樟脑或与樟脑有反应，以及加热到樟脑熔点（178℃）即行分解，则亦不适用。
3.测定凝固点可以鉴别物质的纯度。
实验四溶液表面张力的测定
一、实验目的
1、掌握最大气泡压力法测定溶液表面张力的原理和技术；
2、测定不同浓度溶液的表面张力，计算吸附量；
3、了解气液界面的吸附作用，计算表面层被吸附分子的截面积和吸附层的厚度。
二、实验原理
1．表面张力和表面吸附
表面张力是液体的重要性质之一，它是因表面层分子受力不均衡所引起的。
在一个液体的内部，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。
因为液体表面层的分子一方面受到液体内层的临近分子的吸引，另一方面受到液体外部气体分子的吸引，而且前者的作用力比后者大。
因此在液体表面表面层中，每个分子都受到垂直于并指向液体内部的不平衡力，如图1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。
因此，液体都有自动缩小表面积的趋势，液体表面缩小是一个自发过程。
从热力学观点来看，液体表面缩小是使系统总吉布斯函数减小的一个自发过程，如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。
如欲使液体表面面积增加ΔS时，就需对其做表面功，其大小应与ΔS成正比，系数为即为表面张力γ：
－W=γ×ΔS（式1）
比例系数γ从能量的角度被称为比表面吉布斯函数，即为恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，其单位为J•m-2。
从物理学力的角度看，γ可被理解为沿着表面和表面相切、垂直作用于单位长度相界面线段上的表面紧缩力，即表面张力，其单位是N•m-1。
液体的表面张力与温度有关，温度愈高，表面张力愈小。
到达临界温度时，液体与气体不分，表面张力趋近于零。
液体的表面张力也与液体的纯度有关，在纯净的液体（溶剂）中如果掺进杂质（溶质），表面张力就要发生变化，其变化的大小，决定于溶质的本性和加入量的多少。
在定温下纯液体的表面张力为定值，当加入溶质形成溶液时，分子间的作用力发生变化，表面张力也发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。
水溶液表面张力与其组成的关系大致有以下三种情况：
（1）随溶质浓度增加表面张力略有升高；
（2）随溶质浓度增加表面张力降低，并在开始时降得快些；
（3）溶质浓度低时表面张力就急剧下降，于某一浓度后表面张力几乎不再改变。
以上三种情况溶质在表面层的浓度与体相中的浓度都不相同，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。
根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低。
在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯（Gibbs）吸附方程：
（式2）
式中，Г为溶质在表面层的吸附量；γ为表面张力；c为吸附达到平衡时溶质的浓度。
引起溶剂表面张力显著降低的物质叫表面活性物质，Г>0，即产生正吸附的物质；反之称为表面惰性物质，Г<0，即产生负吸附的物质。
被吸附的表面活性物质分子在界面层中的排列，决定于它在液层中的浓度，这可由图1看出。
图1中
（1）和
（2）是不饱和层中分子的排列，（3）是饱和层分子的排列。
当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在不断改变，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层，分子排列方式如图1中（3）所示。
这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。
如果在恒温下绘成曲线γ=f（c）（表面张力等温线），当c增加时，γ在开始时显著下降，而后下降逐渐缓慢下来，以至γ的变化很小，这时γ的数值恒定为某一常数（见图2）。
利用此图求出其在一定浓度时曲线的切线斜率，代入吉布斯吸附方程就可求得表面吸附量。
或者在曲线上某一浓度c点作切线与纵坐标交于b点，再从切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b′点，以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，故有：
（3）
根据朗格缪尔公式：
（4）
其中Г∞为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的吸附量，整理可得：
（5）
以c/Г对c作图，得一直线，该直线的斜率为1/Г∞，即可求得饱和吸附量。
由所求得的Г∞代入：
（6），可求被吸附分子的截面积（L为阿佛加得罗常数）。
若已知密度ρ，分子量M，可计算吸附层厚度
（7）
2、最大泡压法测表面张力
本实验用气泡最大压力法测定溶液的表面张力，其仪器装置如图2所示：
图中1、恒温套管；2、毛细管（r在0.15～0.2mm）；3、压力计；4、分液漏斗；5、吸滤瓶；6、连接橡皮管。
将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个比A瓶中液面上大的压力，当此压力差-附和压力（Δp=p大气-p系统）。
如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上时球形的。
当气泡开始形成时，表面几乎时平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成球形，这时的曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据下式这时附加压力达到最大值。
气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。
此时附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，遵循拉普拉斯公式，R=r时的最大附加压力为：
Δp=2γ/r（5）
式中，Δp为附加压力；γ为表面张力；R为气泡的曲率半径。
实际测量时，使毛细管端与液面接触，则可忽略气泡鼓泡所需克服的静压力，这样就可直接用上式进行计算。
当将其它参数合并为常数K时，则上式变为：
γ=KΔp（6）
式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得。
在实验中，如果使用同一支毛细管和压力计，则可以用已知表面张力的液体为标准（如蒸馏水），分别测定标准物和待测物的最大附加压力，通过对比计算求未知液体的表面张力，其中γ水/Δp水则被称为仪器常数：
（9）
根据此法所测得的表面张力，使用上面介绍的方法就可以求出所测物质在溶液中的饱和吸附量、被吸附分子的截面积和吸附层厚度。
三、实验仪器、试剂
1、实验仪器：
超级恒温槽，最大气泡压力法表面张力仪，洗耳球，烧杯（50ml），乳胶管两根，铁架台，十字夹，铁夹各2个，胶头滴管。
2、实验试剂：
乙醇，正庚醇，蒸馏水，自来水，凡士林。
四、实验步骤
1．仪器准备与检漏
将测定管先用洗液洗净，再顺次用自来水和蒸馏水漂洗，以保证不要在玻璃面上留有水珠，使毛细管有很好的润湿性。
装配、使用乳胶管连接好仪器，保证系统不漏气。
调节恒温水浴温度为25℃。
2．仪器常数的测量
将大量自来水注入减压管中。
在测定管中装入蒸馏水，调节液面，使之恰好与毛细管尖端相切。
在减压管上端活塞打开通大气时，压差计采零，再关闭通大气活塞，这时慢慢打开减压管中的下端活塞，使系统内的压力降低，测定管中即有气泡冒出，调节放水速度，以控制气泡逸出速度，使气泡由毛细管尖端成单泡逸出，且每分钟形成的气泡数量为6～7个。
读取压力计上显示的压力的最大绝对值。
3．表面张力随溶液浓度变化的测定
测定顺序：
溶液浓度由小到大。
每次测量前，用待测溶液浸洗2～3次。
在上述系统中，分
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