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(zhì)摩爾質(zhì)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(zhì)摩爾質(zhì)量的實驗裝置，通過調(diào)節(jié)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(zhì)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(zhì)摩爾質(zhì)量的經(jīng)典方法之一，亦是物理化學實驗的基本實驗之一。

傳統(tǒng)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(tǒng)不封閉，空氣中的水蒸氣往往會對測量產(chǎn)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(tǒng)散熱仍在進行，體系所能到達的是動態(tài)平衡而非靜態(tài)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(tǒng)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(shù)字貝克曼溫度計取代玻璃貝克曼溫度計［1-2］，簡化了讀數(shù)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(huán)己烷(苯)-萘體系改為水-尿素(蔗糖)體系創(chuàng)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(xiàn)了封閉，減小了環(huán)境中的水蒸氣和樣品的揮發(fā)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(fā)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(tài)平衡而非靜態(tài)平衡的本質(zhì)，所以很難從根本上解決該實驗費時、費力且測不準的問題?；诖?，我們設計了新型凝固點測量系統(tǒng)，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(tǒng)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(xiàn))，使系統(tǒng)達到固液平衡時更趨近于靜態(tài)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(shù)字貝克曼溫度計電源打開預熱4h，可得到穩(wěn)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(tǒng)有限公司)，改進的凝固點測量裝置(自制);環(huán)己烷(分析純，國藥集團化學試劑有限公司，經(jīng)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(huán)己烷于干燥的樣品管中，在分析天平上稱重為23.3543g。調(diào)節(jié)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(xiàn)結晶，溫度開始回升時，打開加熱線圈1的電源開關，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)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(jīng)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(zhì)量的測定結果如表1所示。

表1 環(huán)己烷體系凝固點測定數(shù)據(jù)

用改進裝置測定萘摩爾質(zhì)量的實驗操作比傳統(tǒng)測定操作簡單易行，具有反復測量重現(xiàn)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(zhì)量的測定誤差穩(wěn)定控制在0.5%左右。

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