实践掠影

一、课程基本信息

编写依据:2016版本科人才培养方案

课程名称：物理化学实验(Physical Chemistry Experiment)

学时学分：16学时、1学分

课程类别：专业课程

课程性质：必修

适用专业：制药工程、药学

开设学期：第3学期

先修课程：高等数学、无机化学、分析化学、有机化学

开课单位：生命科学学院

二、课程教学目标

物理化学实验是面向化工、材料、药学院和理学院各专业开设的专业基础实验，是独立设课、并与物理化学理论课程内容相配套的实验课程。实验教学内容综合了化学领域中各分支需要的基本研究工具和方法，在教学过程中引导学生利用物理化学及相关理论知识，解决化学、化工过程的基本问题，培养学生的基本实验技能和科学研究能力，为学生今后从事专业研究打下坚实的基础，同时对于学生的知识、能力和综合素质的培养与提高也起着至关重要的作用。通过这门课程的训练，使学生巩固和加深对物理化学理论知识的理解，提高综合运用所学知识，独立解决实际问题的能力；根据所学物理化学理论知识设计实验，合理选择和使用仪器，解决实际问题的能力；掌握实验原理，正确使用相关仪器设备，正确记录数据和处理数据，并对实验结果进行分析和总结。

三、课程教学要求

实验项目开设前指导教师应提前进行预实验并做好记录、实验流程和时间安排合理。教师可采用讲授、现场演示、个别指导纠错相结合的方式教学。学生课前认真预习并完成预习题、分小组完成实验做好实验记录、课后一周内提交实验报告。实验报告包含实验目的、实验原理、实验仪器及试剂、实验内容（步骤）、实验结果及分析。

四、实验教学内容及学时分配

（一）教学学时分配

（二）实验教学内容

实验项目一：表面张力的测定

【实验目的】

1、用最大气泡法测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力；

2、利用吉布斯公式计算不同浓度下正丁醇溶液的吸附量。

【实验原理】

从浸入液面下的毛细管端鼓出空气泡，需要高于外部大气压的附加压力以克服气泡的表面张力，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比：△P=2γ/R。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R=毛细管半径r，曲率半径达最小值，此时根据Laplace方程，这时附加压力达最大值。气泡进一部长大，R增大，附加压力变小，直到气泡逸出。

【主要仪器设备及耗材】

实验器材：

AF-02型数字式微压测量仪，数控恒温槽，5ml、10ml移液管各一支，碱式滴定管1支，50lml容量瓶9个，样品管1个，毛细管1个，抽气瓶1个，锥形瓶1个，玻璃漏斗1个。

试剂材料：

正丁醇（分析纯）

【实验内容】

表面张力是增加单位面积的液体表面所需的可逆功，为了抵抗表面收缩所需加在该表面单位长度上的力称为表面张力。其单位为N/m。纯物质表面层的组成与内部的组成相同，因此纯液体降低表面自由能的唯一途径是尽可能缩小其表面积。对于溶液，由于溶质使溶剂表面张力发生变化，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，表面层溶质的浓度比内部的浓度低。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。显然，在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的浓度及溶液的表面张力随浓度的变化率有关，从热力学方法可知它们之间的关系遵守吉布斯公式。

【实验方法】

1.调节恒温槽的温度在25℃，打开AF-02型数字式微压式测量仪的电源，预热20min。2. 0.5M正丁醇实验室已配好。3.利用上述溶液，用容量瓶配制成下列浓度的溶液0.025、0.050、0.075、0.10、0.15、0.20、0.25M各50ml。用250ml烧杯取约150ml左右0.5M正丁醇，通过移液管和碱式滴定管量取所需的正丁醇至容量瓶，稀释至50 ml。4.用洗液洗净大试管与毛细管，再用自来水和蒸馏水洗净，在大试管中注入适量蒸馏水,使毛细管端刚和液面垂直相切。5.将大试管安装在恒温水溶液内,用小漏斗给抽气瓶装满自来水。6.连接好装置，无漏气。7.在体系通大气压的条件下按校零按钮，使显示器值为0.000Kpa。8.测定水的△Pmax。打开抽气瓶的活塞,使瓶内水缓慢滴出,导致大试管逐步减压,待气泡形成速度稳定(约5-10秒出一个气泡)后,此时，AF-02型数字式微压式测量仪的读数有变动，读出气泡脱出的瞬间时的△Pmax。连续读三次,取平均值,则可算出仪器常数K值。9.按照上述方法对测定不同浓度正丁醇溶液的△Pmax值，不同溶液测定时必须从低浓度到高浓度依次测定，测定每一样品时只需要用同样浓度的溶液淌洗3次即可。10.实验完毕,清洗玻璃仪器,整理实验台。

实验项目二：溶液型液体制剂的制剂

【实验目的】

1、掌握纯液体饱和蒸气压的定义和气液两相平衡的概念，深入了解纯液体饱和蒸气压和温度的关系—克劳修斯-克拉贝龙方程式；

2、掌握用等压计测定不同温度下环己烷（或正己烷）的饱和蒸气压，初步掌握真空实验技术；

3、学会用图解法求被测液体在实验温度范围内的平均摩尔气化热与正常沸点。

【实验原理】

饱和蒸汽压是指一定温度下与纯液体相平衡时的蒸汽压力。它是物质的特性参数。纯液体的蒸汽压是随温度变化而改变的，温度升高，蒸汽压增大；温度降低时，则蒸汽压减小。当蒸汽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，通常把外压为101325Pa时沸腾温度定义为液体的正常沸点。液体饱和蒸汽压与温度的关系可用克劳修斯-克拉珀龙方程式表示：

由式可知，在一定外压时，测定不同温度下的饱和蒸汽压，以 作图，可得一直线，由直线的斜率可求得实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热 。当外压为101325Pa、液体的蒸汽压与外压相等时，可从图中求得其正常沸点。

【主要仪器设备及耗材】

实验器材：

DP-AF 饱和蒸气压实验装置（南京桑力电子设备厂）1套（包括真空泵、缓冲储气罐、数字真空计、平衡管和冷凝器等），恒温水槽1套，电吹风机，温度计（分度值0.10C及10C）各1支。

试剂材料：

正己烷（分析纯）、环己烷（分析纯）或无水乙醇（分析纯），氯化钠，，无水氯化钙，5A分

子筛。

【实验内容】

本实验采用静态法，把待测物质放在一封闭系统中，在不同温度下直接测量蒸汽压，或在不同外压下测液体的沸点。通过测定在不同外压下液体的沸点，得到其蒸汽压与温度间的关系。实验采用压力平衡管测定蒸汽压，其原理：平衡管由三个相连的玻璃管a、b和c组成，a管中储存液体，b和c管中液体在底部相通。当a和c管上部纯粹是待测液体的蒸汽，b和c管的液体在同一水平时，则加在b管液面上的压力与加在c管液面上的蒸汽压相等，该压力可由数字式真空压力计进行测定，此时液体温度即系统的气液平衡温度。

【实验方法】

1.向平衡管中装入待测液体，方法如下：先将平衡管取下，然后烤烘（可用煤气灯或电吹风机）a管，赶走管内空气，速将液体自b管的管口灌入，冷却a管，液体即被吸入。反复二、三次，使液体灌至a管高度的三分之二和U型等位计的大部分为宜，然后接在装置上。2.抽空：接通冷却水，设定玻璃恒温水浴温度为25℃，打开搅拌器开关。当水浴温度达到25℃时，将真空泵接到压力调节口接嘴上。数字压力计采零，在实验室的标准压力计上读取大气压数值。关闭阀门1，打开阀门2。按操作规程开启真空泵，打开阀门3使体系中的空气被抽出。随着系统的压力降低，a、c管间封闭的气体被连续鼓泡通过b管抽出，注意控制阀门3的开启程度，以保持1~2秒一个气泡的鼓泡速率，直至a管中的液体沸腾约3-5分钟（一般观察不到液体内部的沸腾状态，以连续鼓泡为准）。关闭阀门2，等待液体鼓泡停止。真空泵继续运行3分钟后，关闭阀门3，按操作规程关闭真空泵。3.测定：观察b、c管的液面，一般是b管的液面高于c管的液面，此时缓缓打开阀门1，漏入空气，当U型等位计中b、c管两臂的液面平齐时关闭阀门1；若等位计液柱又发生变化，可缓慢打开阀1或阀门2重新调节使液面平齐。当阀门1、2均处于关闭状态且液柱不再变化时，记下恒温槽温度和压力计上的压力值。若液柱始终变化，说明空气未被抽干净，应重复上述操作步骤，直至液柱不再变化为止。4.将恒温水浴温度升高5度，升温过程中样品会重新沸腾，为控制过度沸腾导致的样品流失和污染真空系统，可根据实际情况微微开启阀门1压制，使不产生气泡。达到设定温度后，关闭阀门1，恒温5分钟，按步骤4的方法调节，测定新温度下的样品蒸气压。按上述方法依次测定25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃时样品的蒸气压。

实验项目三：  粘度法测高聚物分子量 

【实验目的】

1、掌握粘度法测定高聚物平均分子量的原理；

2、用乌氏(Ubbelohde)粘度计测定聚乙烯醇的特性粘度，计算聚乙烯醇的粘均分子量。

【实验原理】

测定高聚物的粘度，使用毛细管粘度计最方便。本实验采用乌氏粘度计，它的最大优点是溶液的体积对测定没有影响，所以可以在粘度计内采取逐渐稀释的方法，得到不同浓度的溶液。它的构造如装置图所示，其中毛细管H的直径和长度，以及E球大小的选择，应根据所用溶剂的粘度而定，使溶剂流出时间在100秒以上，但毛细管直径不宜小于0.5毫米，否则测定时容易阻塞。F球的容积应为从B管a处到F球底端的总体积的8-10倍，这祥可以稀释到起始浓度的1/5左右。为使F球不致过大，E球的体积以4-5毫升为最好。同时D球至F球底端的距离，应尽量小。液体的粘度可以用体积V的液体，流过毛细管的时间t来衡量。通常测定分子量时溶液都较稀(c ＜1×10^-2克·毫升^-1)，所以溶液的密度与溶剂的密度近似相等，当用同一支粘度计，对溶剂和溶液进行测定时，则

式中t为溶液的流出时间，t₀为溶剂的流出时间。

【主要仪器设备及耗材】

实验器材：

SYP—Ⅲ玻璃恒温水浴装置一套（南京桑力电子设备厂），乌氏粘度计1支，洗耳球1个，移液管5毫升、10毫升、20毫升各1支，容量瓶100毫升，秒1只。

试剂材料：

聚乙烯醇

【实验内容】

粘度是液体对流动所表现的阻力，在一定温度和一定溶剂中，特性粘度与高聚物的分子量M的关系，常用Mark–Houwink公式表示： 。

式中求出的高聚物分子量是一个平均相对数值，称为粘均相对分子量。指数溶液中分子几何形状的函数，其值从0.5（随机卷曲螺旋丝）到1.7（刚性伸展分子）。常数K和与温度、高聚物及溶剂的性质有关，其数值是通过采用其它独立实验方法（如渗透压、光散射或沉降平衡等）测定已知摩尔质量的高聚物的特性粘度而得到的。

【实验方法】

1.准备5g·dm^-3的聚乙烯醇溶液。2.将粘度计用洗液浸泡后，洗净烘干，垂直放置于恒温槽中。恒温槽的水面要没过粘度计的D-G球。溶液和溶剂部应置于恒温槽中，保持恒温。为了保证实验顺利进行，防止毛细管堵塞，实验前，需将溶液和溶剂用3^#玻璃砂漏斗，分别过滤。3.在干燥洁净的粘度计中，用移液管加入20毫升已配好并恒温的溶液。用夹子夹紧C管上的橡皮管，使其不通气，将B管上的橡皮管连上洗耳球抽气，至溶液上升到G球的一半时，移去洗耳球，打开C管上橡皮管上的夹子，使B，C管通大气。此时G球中液面逐渐下降，当液面刚通过刻度a时，按下秒表，开始记录时间，到液面刚通过刻度b时，再按停表，这就是溶液自a到b所需要的时间t。重复操作三次，每次相差不超过0.2秒，求出其平均值t₁。然后加入5毫升蒸馏水，浓度变为c₂，用洗耳球抽吸溶液至G球几次，使其混合均匀，再测定流经时间t₂。同样依次加入5、10、10毫升蒸馏水，使溶液的浓度分别为c₃、c₄、c₅，测定流经时间t₃、t₄、t₅。每次加水后，都要用洗耳球来回抽气，使溶液充分混合均匀。4.倒出溶液，先用自来水冲洗粘度计，再用蒸馏水冲洗三次。加入约20毫升蒸馏水，按照上述步骤，测定溶剂流经时间t₀。5.实验完毕，倒出蒸馏水。

实验项目四： 溶解热的测定

【实验目的】

1、掌握用电加热补偿法测定硝酸钾在水中的积分溶解热与溶质浓度间的函数关系；

2、熟悉由实验数据计算溶液的微分溶解热和积分稀释热（冲淡热）。

【实验原理】

对溶质在纯溶剂或者溶液中的溶解过程伴随的热效应的定量研究，已经通过引入积分溶解热和微分溶解热的概念而得到系统化的分析。当溶质的数量不变时，向溶液中加入溶剂就产生稀释作用（或冲淡作用），其热效应可以用积分稀释热（积分冲淡热）和微分稀释热（微分冲淡热）进行度量。

【主要仪器设备及耗材】

实验器材：

SWC–RJ溶解热（一体化）测定装置（包括杜瓦瓶、电加热器、Pt-100 温度传感器、电磁搅拌器、SWC-ⅡD数字温度温差仪、数据采集接口，“溶解热2.50”软件）（南京桑力电子设备厂），配套计算机，电子天平（精度0.0001g）、台秤（精度0.1g）、研钵1只、干燥器1只、小漏斗1只、小毛刷1把、秒表1只、称量瓶8只。

试剂材料：

硝酸钾（分析纯）、去离子水。

【实验内容】

硝酸钾在水中的溶解过程是吸热过程，当系统绝热时（如实验在杜瓦瓶中进行），系统温度的下降可以由电加热方法予以恢复初始温度，而溶解热就等于系统恢复所吸收的电加热能量IVt = I²Rt。本实验展示了吸热反应在量热学测量方面的独特优势。当反应吸收热量后，系统的冷却效应可以用电加热的方法予以平衡补偿，从而保持系统温度不变。如此，在研究过程中，我们就不需要知道量热计和溶液的热容值，后者与温度、浓度等各种因素有关，很难计算和测量。所以，电加热补偿法比常规的绝热量热法更加方便。本实验数据的采集和处理均可由计算机自动完成。

【实验方法】

1.将8个称量瓶编号。2.将硝酸钾（约30g）进行研磨，在烘干，放入干燥器中备用。3.分别称量约2.5、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0、4.0、4.5g硝酸钾，放入8个称量瓶中。称量方法：首先用0.1g精度的台秤，在每个称量瓶中加入需要量的硝酸钾；然后在0.0001g精度的电子天平上，分别称量每份样品（硝酸钾+称量瓶）的精确重量；称好后放入干燥器中备用。在将硝酸钾加入到水中时，不必将硝酸钾完全加入，称量瓶中残留的少量硝酸钾通过后面的称量予以去除。也可以用称量纸直接称量，并做好编号标记，注意将较大的硝酸钾颗粒剔除，以免堵塞加料漏斗管口，影响实验结果。4.使用0.1g精度天平称量216.2g（12.0 mol）去离子水放入杜瓦瓶内，放入磁力搅拌磁子，拧紧瓶盖，将杜瓦瓶置于搅拌器固定架上（注意加热器的电热丝部分是否全部位于液面以下）。5.观察水温的变化，当在1分钟内水温波动低于0.02℃时，即可开始测量。点击“操作 - 开始绘图”，仪器自动清零，立刻打开杜瓦瓶的加料口，插入小漏斗，按编号加入第一份样品，盖好加料口塞，软件开始绘制曲线，在数据记录表格中填写所需数据，观察温差的变化或软件界面显示的曲线，等温差值回到零时，加入第二份样品，依次类推，加完所有的样品。

五、测评方式

1.预习（10 %）

2.实验操作（60%）

3.实验报告（30 %）

六、实验指导书及参考资料

编著者，资料名称，出版社，出版时间

1、实验指导书

    电子版实验讲义，由厂家提供。

2、参考资料

吴洪达，《物理化学实验》，华中科技大学出版社，2017年。

编写人：              审核人：                       编写(修订)时间: 20  年7月