物理化学实验指导书高分子材料.docx
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物理化学实验指导书高分子材料
材料科学与冶金工程学院
《材料物理化学实验指导书》
晋克勤编写
适用高分子材料与工程
贵州大学
二OO七年八月
前言
物理化学主要是研究化学变化、相变化的平衡规律，以及化学变化的速率规律，是应用化学、化学工程与冶金工程等专业的一门必修课，包括理论教学和实验教学。
通过本课程学习，学生应掌握物理化学的基本概念和计算方法，体会和理解根据实验现象做出假设、建立模型，通过归纳或演绎上升为理论的科学研究和思维方法，并结合具体条件运用理论解决实际问题。
目录
1、实验一：
液体饱和蒸气压的测定1
2、实验二：
分配系数的测定3
3、实验三：
二组分合金相图的绘制6
4、实验四:
表面张力的测定9
实验一液体饱和蒸气压的测定
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的及要求
1．了解用静态法（亦称等位法）测定异丙醇在不同温度下蒸气压的原理，进一步理解纯液体饱和蒸气压与温度的关系。
2．掌握真空泵、恒温槽及气压计的使用。
3．学会用图解法求所测温度范围内的平均摩尔气化热及正常沸点。
二、实验原理
一定温度下，在一真空的密闭容器中，液体很快和它的蒸气建立动态平衡，即蒸气分子向液面凝结和液体分子从表面逃逸的速度相等，此时液面上的蒸气压力就是液体在此温度时的饱和蒸气压，液体的蒸气压与温度有一定关系，温度升高，分子运动加剧，因而单位时间内从液面逸出的分子数增多，蒸气压增大。
反之，温度降低时，则蒸气压减小。
当蒸气压与外界压力相等时，液体便沸腾，外压不同时，液体的沸点也不同。
我们把外压为101325Pa时沸腾温度定为液体的正常沸点。
液体的饱和蒸气压与温度的关系可用克劳修斯－克拉贝龙（Clausius-Clapeyron）方程式来表示
（1．1）
式中
为液体在温度T时的饱和蒸气压（Pa），T为热力学温度（K），△Hm为液体摩尔汽化热，R为气体常数。
在温度变化较小的范围内，则可把△Hm视为常数，当作平均摩尔汽化热，将上式积分得：
（1．2）
式中A为积分常数，与压力
的单位有关。
由（1．2）式可知，在一定温度范围内，测定不同温度下的饱和蒸气压，以lg
对1/T作图，可得一直线，而由直线的斜率可以求出实验温度范围的液体平均摩尔汽化热△Hm。
静态法测蒸气压的方法是调节外压以平衡液体的蒸气压，求出外压就能直接得到该温度下的饱和蒸气压。
其实验装置如图Ⅱ-1-1所示。
所有接口必须严密封闭。
三、仪器与药品
恒温装置1套；真空泵及附件1套；气压计1台，等位计1支；数字式低真空测压仪1台。
异丙醇（A.R.）。
四、实验步骤
1．装样
从等位计R处注入异丙醇液体，使A球中装有2/3的液体，U形B的双臂大部分有液体。
2．检漏
将装妥液体的等位计，按图Ⅱ-1-1接好，打开冷却水，关闭活塞H，G。
打开真空泵抽气系统，打开活塞G，使低真空测压仪显示压差为4000Pa~5300Pa（300mmHg~400mmHg）。
关闭活塞G，注意观察压力测量仪的数字的变化。
如果系统漏气，则压力测量仪的显示数值逐渐变小。
这时细致分段检查，寻找出漏气部位，设法消除。
调节恒温槽至所需温度后，打开活塞G缓缓抽气，使A球中液体内溶解的空气和A、B空间内的空气呈气泡状通过B管中液体排出。
抽气若干分钟后，关闭活塞G，调节H，使空气缓慢进入测量系统，直至B管中双臂液面等高，从压力测量仪上读出压力差。
同法再抽气，再调节B管中双臂等液面，重读压力差，直至再次的压力差读数相差无几。
则表示A球液面上的空间已全被丙醇充满，记下压力测量仪上的读数。
用上述方法测定6个不同温度时异丙醇的蒸气压。
（每个温度间隔为5K）
在实验开始时，从气压计读取当天的大气压。
五、实验注意事项
1．整个实验过程中，应保持等位计A球液面上空的空气排净。
2．抽气的速度要合适。
必须防止等位计内液体沸腾过剧，致使B管内液体被抽尽。
3．蒸气压与温度有关，故测定过程中恒温槽的温度波动需控制在±0.1K。
4．实验过程中需防止B管液体倒灌入A球内，带入空气，使实验数据偏大。
六、数据处理
1．自行设计实验数据记录表，既能正确记录全套原始数据，又可填入演算结果。
2．计算蒸气压
时：
。
式中
为室内大气压（由气压计读出后，加以校正之值），E为压力测量仪上读数。
3．以蒸气压
对温度T作图，在图上均匀读取8个点，并列出相应表格，绘制成lg
~1/T图。
4．从直线lg
~1/T上求出实验温度范围的平均摩尔汽化热，及正常沸点。
5．以最小二乘法求出异丙醇蒸气压和温度关系式（
）中的A、B值。
七、思考题
1．本实验方法能否用于测定溶液的蒸气压，为什么？
2．温度愈高测出的蒸气压误差愈大，为什么？
实验二分配系数的测定
实验学时：
4
实验类型：
综合
实验要求：
必修
一、实验目的
测定苯甲酸在水与四氯化碳中的分配系数。
二、实验原理
设α与β是两个互不相溶的液体。
若A物质可以溶于α了可以溶于β，当α，β相接触时，A可以在α与β两相间转移，在一定温度经过一定时间后，可达平衡，根据热力学，A在两平衡相中浓度之比是一常数即
式中α，β分别为A在α，β两相中的浓度，K称为分配系数。
K随温度而变，与A物质、α及β随层的量无关。
因为随温度而变，所以实验时温度要保持恒定
若A在α相中以单分子状态存在，在β相中以n个分子状态存在
即
则应写为
三、仪器及药品
300毫升分液漏斗，100毫升量筒，三角瓶，滴定管，5毫升和50毫升吸液管，洗瓶，苯甲酸，约0.1N的氢氧化钠溶液，四氯化碳。
四、实验步骤
洗好二个250ml三角瓶，换取干燥的三角瓶。
洗好二个分液漏斗，观察活塞是否良好。
在二个分液漏斗中（具塞的），用量筒各加入140毫升水，标明号码为1、2，用粗天平称取0.7g，1.2g苯甲酸分别加入1、2号分液漏斗中。
再分别加入约20毫升四氯化碳，塞上塞子。
以两手握分液漏斗的两端塞子，摇动液体三分钟。
直立分液漏斗后，才放松上边一只手，以免塞掉地打破。
注意不要用手触漏斗中部以免温度改变、此后即让漏斗放在铁环上、静置约30分钟。
待漏斗中液体分成清晰的两层时（若某一层不是很清晰而是乳白色，则表示尚未分清，还需继续放置在铁环上），将各漏斗中的下层CCl4溶液分别放入两个清洁而干燥的瓶中（尽可能放完，但决不能让水溶液也流下），使二漏斗中的水溶液与CCl4溶液分开，加塞。
以免CCl4挥发。
当漏斗静置在铁环上时，洗净滴定管并装入已知浓度（约0.1N）的氢氧化钠溶液，洗净三角瓶准备滴定。
用5毫升清洁而干燥的吸量管，吸取5mlCCl4溶液（吸量管为什么要清洁而干燥的？
）放入三角瓶中，加蒸馏水稀释，加入酚酞，用已知浓度的氢氧化钠溶液滴定，滴定时需用力震荡，否则不易中和。
同样再吸取5mlCCl4再滴定一次，二次结果应该相接近。
用50ml吸量管吸取50ml水溶液（吸取前用少量水溶液清洗吸量管，为什么？
）放入三角瓶中，加入酚酞，用氢氧化钠溶液滴定。
也滴定二次，注意吸取的水溶液中不应该有CCl4液层的小滴在内。
同样滴定其它漏斗中的二层溶液，应注意所用吸量管都要干燥、洁净。
方法：
先用少量CCl4洗过，再用手捏吹风机吹干。
做完实验，记下室温，将分液漏斗洗干净，并用蒸馏水清洁。
将用过的CCl4倒入回收瓶子中。
将三角瓶洗净，交给教师放烘箱中烘干。
五、数据处理
由滴定时氢氧化钠溶液的用量及氢氧化钠的浓度计算苯甲酸在CCl4层与水层中的浓度。
分别计算二漏斗中的
，
，
看哪一个是常数，从计算结果可以看苯甲酸在什么液体中发生缔和。
求出分配系数的平均值及平均误差。
NaOH
漏斗1
漏斗2
水量ml
苯甲酸量g
CCl4ml
CCl4层
NaOH用量
⑴
⑵
平均
苯甲酸浓度CCl4
水层
NaOH用量
⑴
⑵
平均
苯甲酸浓度
平均分配系数：
实验三二组分合金相图的绘制
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的
1．用热分析法绘制Sn-Bi合金相图；
2．了解热分析方法的测量技术；
二、实验原理
热分析法（步冷曲线法）是绘制相图的基本方法之一。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，每隔一定时间记录一次温度，并画出温度随时间变化的步冷曲线（见图1）。
当熔融的体系均匀冷却时，如果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化是均匀的，冷却速度较快（如图中ab线段）；若在冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随有放热效应，所以体系的温度随时间的变化的速率发生改变，冷却速度减慢，步冷曲线上出现转折（如图中b点）。
当溶液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时溶液体系以低共熔混合物的固体析出。
在低共熔混合物全部凝固以前，体系温度保持不变，由此步冷曲线上出现水平线段（如图中cd线段），当溶液完全凝固后，温度才迅速下降（如图de线段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系，可以根据它的步冷曲线得出有固体析出时的温度和低共熔点温度。
根据一系列组成不同的体系其步冷曲线中的各转折点，即可画出二组分体系的相图（温度一组成图）。
与步冷曲线相对应的相图如图所示。
图一2步冷曲线与相图
三、仪器与药品
步冷曲线装置﹑金属铋、金属锡。
四、实验步骤
1．配制样品
用感量为0．1g的台平分别配制含铋（质量分数）为30％，58％（低共熔混合物组成），80％的Bi—Sn混合物各100克。
另外称纯步冷曲线装置、纯锡各100克，分别放入5个坩埚中。
2．测定步冷曲线
2．1．检查各接口连线连接是否正确，然后接通电源开关。
2．2．设置工作参数步骤：
1）按“设置”按钮，温度显示器显示“C”，为设置目标温度（即加热温度上限，当温度达到目标温度时，控制器停止加热）。
按“+1”增加，按“-1”减少。
按“X10”左移一位即扩大十倍；相应显示在加热功率显示器上。
2）再按“设置”按钮，温度显示器显示“P1”，设置加热率，先是在加热功率显示器上。
按“+1”增加，按“-1”减少，按“X10”左移一位即扩大十倍：
（改变热功率，可控制升温速度和停止加热后温度上冲的幅度）
3）再按“设置”按钮，，温度显示器显示“P2”，设置保温功率，先是在加热功率显示器上。
按“+1”增加，按“-1”减少，按“X10”左移一位即扩大十倍；（根据环境温度等因素改变保温功率，可改善降温速率，以便更好的显现拐点和平台）
4）再按“设置”按钮，温度显示器显示“t1”，设置报警间隔时间，显示在加热功率显示器上。
按“+1”增加，按“-1”减少，按“X10”左移一位即扩大十倍；（1~99秒任定，不联电脑实验时提示记录适时温度）
5）在按“设置”按钮，温度显示器显示“n”，设置是否报警，显示在加热功率显示器上。
n=1表示报警（蜂鸣器发声），n=0表示不报警（蜂鸣器不发声）。
6）设置完成后按下“加热”按钮，加热器开始加热。
启动采集系统后开始采集数据（如不进行设置系统会采用默认值）。
参数
默认值
可调范围
目标温度C
500℃
100~500℃
加热功率P1
400W
50~500W
保温功率P2
40w
1~50W
报警时间T
30S
1~99S
蜂鸣器N
蜂鸣
1鸣叫0静音
7）将温度传感器插入样品管细管中，样品管放入加热炉，炉体的挡位拨至相应炉号。
摁下控制器面板加热按钮进行加热，到样品熔化（设定温度）加热自动（或摁下控制器面板的停止）停止。
8）降温过程可以根据环境温度等因素，其用保温或开风扇来改善降温速率，以便更好地显现拐点和平台。
9）采集数据完成后，即可绘制相应的曲线。
2．3．进行实验
进行实验前，将仪器开启两分钟。
设置好仪器的各种参数，具体的参数设置方法，请参照仪器的使用说明书。
按“打开串口”按钮，根据串口连接方式，选择适当的串口。
如果选择正确，将会在软件左上方的文本框内显示仪器所测得当前的温度值。
按下“坐标设定”按钮，设置图形框内所显示的温度的最小值，最大值，及时间长度。
按下“开始实验”按钮，输入本次实验数据保存的文件名，而后开始进行记录实验数据。
实验数据将以波形的形式显示在程序界面上。
实验结束后，按下“实验结束”按钮，保存好本次实验数据。
本次实验的数据可通过“步冷曲线”按钮再次调入程序进行观看。
2．4．步冷曲线绘制
进行多次实验后，便可以绘制步冷曲线。
绘制曲线前，可按下“坐标设定”按钮设置好步冷曲线的温度范围及时间长度。
按下“步冷曲线”按钮，根据实验要求将实验结果添加置图形上。
多次重复这一过程，可将多条曲线添加至图形上。
2．5．绘制相图曲线
从步冷曲线上读出拐点温度及水平温度。
按下“相图绘制”按钮，分别输入“拐点温度”、“样品成分”，输入顺序请按照其中一种物质的百分比。
为了保质相图的正确性，必须保证实验结果覆盖相图曲线的两段直线。
五、程序按钮的含义说明
1“坐标设定”X轴表示时间坐标,Y轴表示温度坐标,单位为度;设定X的宽度,坐标为分钟;程序默认值分别为50分钟;温度为0到400度。
实验开始前可以设定坐标范围。
2“开始实验”在实验前，初步估计实验所需时间，实验所需最高温度，点击开始按键，程序弹出菜单，请输入实验结果的保存文件名；做实验时，可将温度及时间坐标范围选宽一点，以完整记录实验过程，如需具体观察某一段温度曲线，可在实验结束后，用以下方法实现：
首先用“坐标设定”按钮设定图形的参数，用“添加数据文件”按钮将实验结果显示出来。
提示：
如果实验时温度超过所设定的最高温度，实验数据仍然保存在结果文件中。
3“实验结束”观察到所需实验现象后，可点击实验结束按键，计算机自动保存实验结果，实验结果为一个“*.dat”的文件,其中的数据的数值为实际温度值乘以10。
4“退出实验”点击退出实验，退出实验。
六﹑数据记录与处理
已知纯锡、纯铋的熔点分别为232℃和271℃.从工作曲线上查处组成Bi为30﹪，58﹪，80﹪时的熔点温度，以横坐标表示质量分数，纵坐标表示温度，绘出Bi-Sn二组分相图。
在绘制的相图上，用相律分析低共熔混合物、熔点曲线及各区域内的相数何自由度。
实验四表面张力的测定
实验学时：
2
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的和要求
1了解表面张力的性质，表面能的意义以及表面张力和吸附的关系
2掌握一种测定表面张力的方法——最大气泡法
二、实验原理
1物体表面分子和内部分子所处的境遇不痛，表面层分子收到向内的拉力，所以液体表面都有自动缩小的趋势，如果把一分子由内部迁移到表面，就需要对抗拉力而做功。
在温度、压力和组成恒定时，可逆地使表面增加dA所需对体系做的功，叫表面功，可以表示为：
（6.1）
式中σ为比例常数。
σ在数值上等于当T、
和组成恒定的条件下增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功，也可以说是每增加单位表面积时体系自由能的增加值。
环境对体系作的表面功转变为表层分子比内部分子多余的自由能。
因此，σ称为表面自由能，其单位是焦耳每平方米（J/m2）。
若把σ看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，通常称为表面张力。
从另外一方面考虑表面现象，特别是观察气液界面的一些现象，可以察觉到表面上处存在着张力，它力图缩小表面积，此力称为表面张力，其单位是牛顿每米（N/m）。
表面张力是液体的重要特性之一，与所处的温度、压力、浓度以及共存的另一相的组成有关。
纯液体的表面张力通常是指液体与饱和了其本身蒸汽的空气共存的情况而言。
2纯液体表面层的组成与内部层相同，因此，液体降低体系表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。
对于溶液则由于溶质会影响表面张力，因此可以调节溶质在表面层的浓度来降低表面自由能。
根据能量最低原则，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度应比溶液内部来得大。
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的浓度来的低，这种表面浓度与溶液内部内部不同的现象叫“吸附”。
显然，在指定温度和压力下，吸附与溶液的表面张力及溶液的浓度有关。
Gibbs用热力学的方法推导出它们间的关系式：
（6.2）
式中为表面超量（mol/m2）；σ为溶液的表面张力（J/m2）；T为热力学温度；为溶液浓度（mol/m3）；R为气体常数。
当
<0时，Γ>0称为正吸附；反之，当
>0时，Γ<0称为负吸附。
前者表明加入溶质使液体表面张力下降，此类物质称表面活性物质。
后者表明加入溶液使液体表面张力升高，此类物质称非表面活性物质。
因此，从Gibbs关系式可看出，只要测出不同浓度的表面张力，以σ~c作图，在图的曲线上作不同浓度的切线，把切线的斜率代入Gibbs吸附公式，即可求出不同浓度时气液界面的吸附量Γ。
在一定的温度下，吸附量与溶液浓度之间的关系由Langmuir等温式表示：
（6.3）
式中
为饱和吸附量，K为经验常数，与溶质的表面活性大小有关。
将（6-3）式化成直线方程则：
（6.4）
若以
~C作图可得一直线，由直线斜率即可求出
假若在饱和吸附的情况下，在气液界面上铺满一单分子层，则可应用下式得被测物质的横截面积
（6.5）
式中
为阿伏伽德罗常数。
3本实验选用单管式最大气泡法，其装置和原理如图Ⅱ-6-1所示
当表面张力仪的毛细管端面与待测液体面相切时，液面即沿毛细管上什。
打开分液漏斗的活塞，使水缓慢下滴而减少系统压力，这样毛细管内液面上受到一个比试管中液面上大的压力，当此压力差在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力，气泡就从毛细管口溢出，这一最大压力可由数字式微压差测量仪上读出。
其关系式为
（6.6）
如果毛细管半径为r，气泡由毛细管口逸出时受到向下的总压力为
气泡在毛细管受到的表面张力引起的作用力为
。
刚发生气泡自毛细管口逸出时，上述两力相等，即
（6.7）
（6.8）
若痛一根毛细管，对两种具有表面张力为
和
的液体而言，则有以下关系：
则
（6.9）
式中K为仪器常数。
因此，以已知表面张力的液体为标准，从式（6.9）即可求出其它液体的表面张力σ1。
三、仪器与药品
恒温装置1套，烧杯（250ml）1个，带有支管的试管（附木塞）1支，毛细管（半径为
0.15mm~0.020mm）1根，容量瓶（50ml）8支，数字式微压差测量仪1台。
正丁醇（分析纯）。
四、实验步骤
1．洗净仪器并按图装置。
对需干燥的仪器作干燥处理，分别配制0.02mol/L，0.05mol/L，0.10mol/L，0.15mol/L，0.20mol/L，0.25mol/L，0.30mol/L，0.35mol/L正丁醇溶液各50ml.
2．调节恒温为25℃。
3．仪器常数测定，先以水作为待测液测定其仪器常数。
方法是将干燥的毛细管垂直地插到使毛细管的端点刚好与水面相切，打开滴液漏斗，控制滴液速度，使毛细管逸出的气泡，速度约为5s~10s1个。
在毛细管口气泡逸出的瞬间最大压差约在700Pa~800Pa左右（否则需调换毛细管）。
可以通过手册查出实验温度时水的表面张力，利用公式
，求出仪器常数K。
照仪器常数测定的方法，测定已知浓度的待测样品的压力差Δ
，代入公式计算其表面张力。
五、实验注意事项
1．测定用的毛细管一定要洗干净，否则气泡可能不能连续稳定地流过，而使压差计读数不稳定，如发生此种现象，毛细管应重洗。
2．毛细管一定要保持垂直，管口刚好插到与液面接触。
3．在数字式微压差测量仪上，应读出气泡单个逸出时的最大压力差。
六、数据处理
1．由附录表中查出实验温度时水的表面张力，算出毛细管常数K。
2．由实验结果计算各份溶液的表面张力σ，并作出σ~c曲线。
3．在σ~c曲线上分别在0.050mol/L，0.100mol/L，0.150mol/L，0.200mol/L，0.250mol/L和0.300mol/L处作切线，分别求出各浓度的
值，并计算在各相应浓度下的г。
4用
对c作图，应得一条直线，由直线斜率求出
。
5根据公式（6.5）计算正丁醇分子的横截面积S。
七、思考题
1.用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差？
2.哪些因素影响表面张力测定结果？
任何减少以致消除这些因素对实验的影响？
3.滴液漏斗放水的速度过快对实验结果有没有影响？
为什么？
附录表不同温度下水的表面张力σ（×103N·m-1）
t／℃
σ
t／℃
σ
t／℃
σ
t／℃
σ
t／℃
σ
0
5
10
11
12
13
14
75.64
74.92
74.22
74.07
73.93
73.78
73.64
15
16
17
18
19
20
21
73.59
73.34
73.19
73.05
72.90
72.75
72.59
22
23
24
25
26
27
28
72.44
72.28
72.13
71.97
71.82
71.66
71.50
29
30
35
40
45
50
60
71.35
71.18
70.38
69.56
68.74
67.91
66.18
70
80
90
100
11
120
130
64.42
62.61
60.75
58.85
56.89
54.89
52.84
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