物理化学实验思考题及参考答案

实验七十 恒温水浴组装及性能测试

1、 简要回答恒温水浴恒温原理就是什么？主要由哪些部件组成?它们的作用各就是什么？

答:恒温水浴的恒温原理就是通过电子继电器对加热器自动调节来实现恒温的目的。当恒温水浴因热量向外扩散等原因使体系温度低于设定值时,继电器迫使加热器工作,到体系再次达到设定温度时,又自动停止加热。这样周而复始,就可以使体系的温度在一定范围内保持恒定。

恒温水浴主要组成部件有:浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件与温度控制器。浴槽用来盛装恒温介质;在要求恒定的温度高于室温时,加热器可不断向水浴供给热量以补偿其向环境散失的热量;搅拌器一般安装在加热器附近,使热量迅速传递,槽内各部位温度均匀;温度计就是用来测量恒温水浴的温度;感温元件的作用就是感知恒温水浴温度,并把温度信号变为电信号发给温度控制器;温度控制器包括温度调节装置、继电器与控制电路,当恒温水浴的温度被加热或冷却到指定值时,感温元件发出信号,经控制电路放大后,推动继电器去开关加热器。

2. 恒温水浴控制的温度就是否就是某一固定不变的温度？

答:不就是,恒温水浴的温度就是在一定范围内保持恒定。因为水浴的恒温状态就是通过一系列部件的作用,相互配合而获得的,因此不可避免的存在着不少滞后现象,如温度传递、感温元件、温度控制器、加热器等的滞后。所以恒温水浴控制的温度有一个波动范围,并不就是控制在某一固定不变的温度,并且恒温水浴内各处的温度也会因搅拌效果的优劣而不同。

4. 什么就是恒温槽的灵敏度?如何测定？

答:T S 为设定温度,T 1为波动最低温度,T 2为波动最高温度,则该恒温水浴灵敏度为:

测定恒温水浴灵敏度的方法就是在设定温度下,用精密温差测量仪测定温度随时间的变化,绘制

温度-时间曲线(即灵敏度曲线)分析其性能。

5、 恒温槽内各处温度就是否相等?为什么？

答:不相等,因为恒温水浴各处散热速率与加热速率不可能完全一致。

６、 如何考核恒温槽的工作质量？

答:恒温水浴的工作质量由两方面考核:(1)平均温度与指定温度的差值越小越好。(2)控制温度的波动范围越小,各处的温度越均匀,恒温水浴的灵敏度越高。

7、 欲提高恒温浴的灵敏度,可从哪些方面进行改进？

答:欲提高恒温水浴的灵敏度,可从以下几个方面进行改进:①恒温水浴的热容量要大,恒温介质流动性要好,传热性能要好。②尽可能加快加热器与感温元件间传热的速度,使被加热的液体能立即搅拌均匀并流经感温元件及时进行温度控制。为此要使:感温元件的热容尽可能小;感温元件、搅拌器与电加热器间距离要近些;搅拌器效率要高。③作调节温度用的加热器要导热良好,热容量要小,功率要适宜。

8、 恒温槽的主要部件有哪些,它们的作用各就是什么？

答:恒温水浴主要组成部件有:浴槽、加热器、搅拌器、温度计、感温元件与温度控制器。浴槽用来盛装恒温介质;在要求恒定的温度高于室温时,加热器可不断向水浴供给热量以补偿其向环境散失的热量;搅拌器一般安装在加热器附近,使热量迅速传递,槽内各部位温度均匀;温度计就是用来测量恒温水浴的温度;感温元件的作用就是感知恒温水浴温度,并把温度信号变为电信号发给温度控制器;温度控制器包括温度调节装置、继电器与控制电路,当恒温水浴的温度被加热或冷却到指定值时,感温元件发出信号,经控制电路放大后,推动继电器去开关加热器。

9、 影响恒温槽灵敏度的因素很多,大体有那些?

212T T S -±=

答:影响恒温槽灵敏度的因素有:(1)恒温水浴的热容,恒温介质的流动性,传热性能。(2)加热器与感温元件间传热的速度,感温元件的热容;感温元件、搅拌器与电加热器间的距离;搅拌器的效率。(３)作调节温度用的加热器导热性能与功率大小。

1０、简要回答恒温槽主要由哪些部件组成?您在哪些物理化学实验中用了恒温技术,试举出一个实验实例。

答:(１)主要部件:浴槽(恒温介质),加热器,搅拌器,温度计,感温元件(导电表、电接触温度计、热敏电阻温度计),温度控制器。(2)化学平衡常数及分配系数的测定,溶液电导的测定——测HAc的电离平衡常数,电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数,最大泡压法测定溶液的表面张力,粘度法测定水溶性高聚物相对分子质量,电导法测定水溶性表面活性剂的临界胶束浓度,双液系的气-液平衡相图中折光率的测定。

11、恒温槽中水的温度、加热电压就是否有特殊要求?为什么?

答: 槽中水的温度应与室温相差不宜过大,以减少对环境的散热速度;加热电压也不能太小与太大。否则会使得散热速度过大、加热速度也过大且加热惯性大,使得控温时灵敏度降低。加热电压太小时,会使得体系的温度偏低时间相对较长,或达不到所设定的温度。

实验七十一燃烧热的测定

1. 简述燃烧热测定的实验原理。

答:1ｍoｌ的物质完全燃烧时所放出的热量称为燃烧热。所谓完全燃烧就是指该化合物中的C变为CO2(气),Ｈ变为H２O(液),S变为ＳO2(气),N变为N２(气),Cl成为HＣl(水溶液),其它元素转变为氧化物或游离态。

燃烧热可在恒压或恒容条件下测定。由热力学第一定律可知:在不做非膨胀功情况下,恒容燃烧热Qｖ等于内能变化ΔU,恒压燃烧热Q p等于焓变化ΔH。在氧弹式热量计中测得燃烧热为Ｑｖ,而一般热化学计算用的值为Q p,两者可通过下式进行换算:

Ｑp=Q v十ΔnRT(１) 式中:Δn为燃烧反应前后生成物与反应物中气体的物质的量之差;R为摩尔气体常数;T为反应热力学温度。

测量燃烧热的仪器称为热量计。本实验采用氧弹式热量计,如图７1-1所示。在盛有定量水的容器中,放入内装有一定量样品与氧气的密闭氧弹(图71-2),然后使样品完全燃烧,放出的热量传给盛水桶内的水与氧弹,引起温度上升。

氧弹热量计的基本原理就是能量守恒定律,样品完全燃烧所释放出的热量使氧弹本身及其周围的介质(实验用水)与热量计有关的附件温

度升高,测量介质在燃烧

前后体系温度的变化值

ΔT,就可求算出该样品的

恒容燃烧热,其关系式如

下:

m Q v + ｌＱ点火丝+ qV=

(Ｃ计+ C水ｍ水) ΔT

(2)

式中:Ｑｖ为物质的恒容燃

烧热(J·g-1);m为燃烧物质

的质量(g);Q点火丝为点火丝的燃烧热(J·g-1);l为燃烧了的点火丝的质量(g);q为空气中的氮氧化为二氧化氮的生成热(用0、1mｏl/L NaOH滴定生成的硝酸时,每毫升碱相当于5.98J),V为滴定硝酸耗用的NａOH的体积(mＬ);C计为氧弹、水桶、温度计、搅拌器的热容(J·k-１);Ｃ水为水的比热(J·g-1·k-1);m水为水的质量(g);ΔT为燃烧前后的水温的变化值(K)。

如在实验过程中,每次的用水量保持一定,把式(2)中的常数合并,即令

k ＝C计+C水m水

则: m Q v ＋ｌＱ点火丝＋qＶ= ｋΔT(3) k为仪器常数。可以通过用已知燃烧热的标准物质(如苯甲酸)放在量热计中燃烧,测出燃烧前后温度变化,则:

ｋ= (ｍQ v +lQ点火丝+ qv)/ΔT(４) 用同样的方法把待测物质置于氧弹中燃烧,由温度的升高与仪器的热容,即可测定待测物质的恒容燃烧热Q v,从(1)式计算恒压燃烧热Q p。实验中常忽略qV的影响,因为氧弹中的N2相对于高压Ｏ２而言可以忽略,其次因滴定HNＯ3而带来的误差可能会超过N2本身带来的误差,操作中可以采用高压O2先排除氧弹中的N2,这样既快捷又准确。先由苯甲酸的理论恒压燃烧热根据公式算出恒容燃烧热,从而计算出仪器常数k,然后再测定恒容燃烧热根据公式转换的实际恒压燃烧热。

2、在使用氧气钢瓶及氧气减压阀时,应注意哪些事项?

答:在使用氧气钢瓶及氧气减压阀时,应注意以下几点:

(1) 氧气瓶及其专用工具严禁与油脂接触,操作人员不能穿用沾有各种油脂或油污的工作服、手套以免引起燃烧。

(2)氧气钢瓶应直立放置要固定,远离火源,严禁阳光暴晒。

(3)氧气减压阀要专用,安装时螺扣要上紧。

(4) 开启气瓶时,操作者应站在侧面,即不要面对减压阀出口,以免气流射伤人体。不许敲打气瓶如何部位。

(5)用完气后先关闭气瓶气门,然后松掉气体流量螺杆。如果不松掉调节螺杆,将使弹簧长期压缩,就会疲劳失灵

(６) 气体将用完时,气瓶中的气体残余压力一般不应小于几个兆帕/平方厘米,不得用完。

(7) 气瓶必须进行定期技术检验,有问题时要及时处理,不能带病运行。

(８) 请仔细阅读气瓶及气体减压阀的使用说明书,以得到更详细的介绍。

3、测定非挥发性可燃液体的热值时,能否直接放在氧弹中的不锈钢杯里测定？挥发性的可燃液体情况又怎样？

答:均不能直接放在氧弹中的不锈钢杯里测定,非挥发性或挥发性的可燃液体均应化装入胶囊或玻璃小球内点燃,这样才能保证样品完全燃烧。

4、燃烧热的测定实验中,标定量热计热容后,测定试样时忘记换铁桶中的水对实验有无影响?为何要严格控制样品的称量范围?

答:有影响,因为热容就是温度的函数,不同温度下量热计的热容严格来讲不等。样品质量太少了温差测量误差较大,样品质量太多了,不能保证燃烧完全。

５、在燃烧热的测定实验中,为什么要测真实温差?怎样测定？

答:在燃烧热的测定实验中,实验成功的首要关键就是保证样品完全燃烧;其次,还须使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给热量计本身及其介质,而几乎不与周围环境发生热交换。为了做到这一点,热量计在设计制造上采取了几种措施,例如:在热量计外面设置一个套壳,此套壳有些就是恒温的,有些就是绝热的。因此,热量计又可分为主要包括恒温式热量计与绝热式热量计。另外,热量计壁高度抛光,这就是为了减少热辐射。量热计与套壳间设置一层挡屏,以减少空气的对流。但就是,热量的散失仍然无法完全避免,这可以就是由于环境向热量计辐射热量而使其温度升高,也可以就是由于热量计向环境辐射而使热量计的温度降低。因此,燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量,而必须经过雷诺(Renｏlｄｓ)温度校正图进行校正。具体方法如下。

当适量待测物质燃烧后使热量计中的水温升高1、5-2、0℃。将燃烧前后历次观测到的水温记录下来,并作图,连成aｂcd线(图７１-3)。图中ｂ点相当于开始燃烧之点,c点为观测到的最高温度读数点,由于量热计与外界的热量交换,曲线ab及cd常常发生倾斜。取b点所对应的温度T１,c点对应的温度Ｔ２,其平均温度为Ｔ,经过T点作横坐标的平等线TO,与折线abcd相交于O点,然后过O点作垂直线AB,此线与ab线与cｄ线的延长线交于Ｅ,F两点,则E点与Ｆ点

E'表示环境辐射进来的热量所造成热量计温度的升所表示的温度差即为欲求温度的升高值ΔT。如图７1－3所示,E

F'表示量热计向环境辐射出热量而造成热量计温度的降低,因此这部分必须加入。经过这样高,这部分必须扣除;而F

校正后的温差表示由于样品燃烧使热量计温度升高的数值。