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“涌泉杯”第四届全国大学生化学实验邀请赛


“涌泉杯” 第四届全国大学生化学实验邀请赛


选手编号:







总成绩:

实验 B
实验内容 考 得 分 分 第一部分 25

化学物理量测定的设计与实验
第二部分 25 第三部分 25 第四部分 25 总分 100

实验目的与注意事项
1. 实验 B 是由四个化学物理量测定的设计与实验所组成: 重油燃烧热的测定; 酸催化蔗糖转化动力学; 可逆电池电动势的测定; 离子迁移数的测定。 2. 本实验主要考察参赛选手对化学基础实验教学大纲所要求的实验内容的掌握 程度,并考察学生运用化学基础知识综合分析问题、解决问题的能力以及实 验的动手能力。尤其侧重于考察参赛选手设计新实验的能力、理论与实验相 结合的能力和用物理法与化学分析法测定化学中物理量的技能。 3. 参加实验 B 的参赛选手共分为 4 组,每组参赛选手均需做 4 个实验,每个实 验的轮换是以组为单位,轮换时间由监考老师决定,先完成实验的参赛选手 在原实验室等候。 4. 在做每个实验之前, 请用 5~10 min 的时间认真仔细阅读竞赛要求、 步骤和实 验内容。要注意合理安排时间,不能超时。 5. 实验 B 总分 100 分;实验竞赛时间为 8 小时(包括午餐时间)。

实验 B 试卷

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选手编号:







成绩:

第一部分 热力学部分——重油燃烧热的测定
1. 实验设计(实验前发给学生) 1.1 基本原理
燃烧热是指一摩尔(或单位质量)物质完全燃烧时所放出的热量。由热力学第一 定律可知,当燃烧在恒容下进行,体系不对外做功,恒容燃烧热 QV 等于体系内能 ?U 的改变,即: ?U = QV 一般燃烧热是指恒压燃烧热 Qp,其值可由 QV 求出: Qp=QV + ?nRT 可见,由反应前后气态物质的量的变化?n 和 QV,就可算出 Qp。 在本实验中,只求 QV,其数值是采用氧弹式量热计测定燃烧前后体系温度的 改变量?T,并通过放热总量等于吸热总量的原理求出。

1.2 仪器及试剂
1) 仪器 a. b. c. d. e. f. g. 氧弹式量热计 氧气钢瓶 量热计控制器 万用表 容量瓶(1000 mL) 电子天平 坐标纸 公用 1 套 公用 1套 1台 1个 公用 1张 b. 苯甲酸 公用 h. i. j. k. l. m. n. 尺子 铅笔 镊子 剪刀 扳手 充氧器 滴管 c. 镍丝 1把 1根 1把 公用 公用 公用 公用 公用

2) 药品 a. 重油

1.3 实验设计要求
1) 利用以上提供的仪器与药品,请设计出重油燃烧热测定的实验步骤 (注意:重油 燃点很高,不易点燃) 。 2) 推导出恒容燃烧热 QV 的计算公式。 实验 B 试卷 页码: 2/13

2. 实验操作(将实验设计收回后,再发给学生)
2.1 样品 用电子天平准确称量重油(?0.6 g,准确至 0.0001 g)和苯甲酸(?0.3 g ,准确至 0.0001 g);倒入金属小皿中,并将金属小皿放入氧弹内。 2.2 绑镍丝 截取 15 cm 无弯曲、无扭折的镍丝在电子天平上准确称至 0.0001 g。将镍丝的中 部在大头针上绕上 2 ~ 3 圈,抽出大头针并将镍丝绑在氧弹的电极上。 2.3 充氧气 打开氧弹出气口,旋紧氧弹盖,用万用电表检查两根电极是否通路;若通路, 则旋紧出气口后充氧。 充氧步骤如下:拿掉氧弹底座,将氧弹进气口和充氧器的出气口接通,按下充 氧器的手柄,此时表压指针指向 2 MPa,1 min 后松开充氧器的手柄,氧气已充入氧 弹中。 2.4 燃烧和测量温度 将充好氧气的氧弹再用万用表检查是否通路;若通路,则将氧弹放入量热计的 内筒中。用容量瓶准确量取自来水 3000 mL 倒入内筒中,装上搅拌马达,将氧弹两 极用电线连接在点火变压器上,量热计控制器的温度探头插入水中,然后盖上盖子。 打开量热计温度控制器的电源,按下搅拌键,预热 10 min 后,按下复位键,开 始实验计时, 此时每隔 1 min 读一次数据; min 后, 10 按下点火键, 同时按下时间键, 使得计时的时间间隔改为 0.5 min (点火后,每隔 0.5 min 读一次数据);直到每次读数 时温度上升小于 0.1℃再改为 1 min 读一次,继续 10 min,结束实验。 量热计温度控制器的补充说明: 按下时间键,计时的时间间隔将在 1 min 和 0.5 min 之间转换选择; 当仪器显示出现异常或需要将计时器清零时,按下复位键。 停止实验后,取出氧弹,泄去废气,打开氧弹盖,称剩余镍丝质量;复原仪器。 2.5 作温度(T)?时间( t )的雷诺校正曲线,求出?T,并根据下式算出 QV。 :
' Q V × W1 + Q V × W 2 + q V × W 3 = [(V ρ C ) H 2 O + C 卡 ] × ? T

式中:W1、W2、W3 分别为重油、苯甲酸、燃烧掉镍丝的质量; 实验 B 试卷 页码: 3/13

QV、QV′、qV 分别为重油、苯甲酸、镍丝的恒容燃烧热;已知苯甲酸的恒容 燃烧热为 26442.9 J·g-1, 镍丝的恒容燃烧热为 3242.6 J·g-1。 V、 、 分别为 H2O 的体积(3000 mL)、 ρ C 密度(1.00 g·mL-1)和比热(4.18 J·g-1 )。 C 卡 为量热计的水当量 (各套仪器均标有 C 卡 值) 。 补充说明:?T 值最大不超过 3 ℃。 2.6 回答问题(答案请写在实验报告中) 通常用氧弹式热量计测定粉末状物质的燃烧热时, 都需要将样品压成片状。 若不 将样品压成片状,是否可行?请详细地说明其原因。

实验 B 试卷

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成绩:

第二部分 动力学部分——酸催化蔗糖转化动力学
(请认真阅读以下内容,特别是实验注意事项)

1. 实验设计(实验前发给学生)
1.1 基本原理 对酸催化的蔗糖转化反应,其速率方程可近似表示为:
n r = k0 + k H+ CH+ CA

(

)

(1)

上式中各物理量的物理意义: r : 反应速率; k0 : 无催化剂存在时蔗糖转化的速率系数;
kH + n

: 酸催化的蔗糖转化速率系数; : 对应于酸的反应级数; : 分别为酸和蔗糖的浓度。 因此,当 CH+不是很小时,式(1)可写成:
r=? dC A n = k H+ CH+ CA dt

CH + , C A

由于, k H + >> k0

(2)

积分得:
ln CA n = ?k H + C H + t 0 CA

(3)



CA α t ? α ∞ = 0 CA α 0 ? α ∞

代入可得: α ?α∞ n ln t = ?k H + CH + t α0 ?α∞

(4)

式中:α0 为反应系统在 t=0 时的旋光度;αt 为反应系统在 t 时刻的旋光度;α∞ 实验 B 试卷 页码: 5/13

为蔗糖完全转化后系统的旋光度。 1.2 仪器与试剂 1) 仪器 a. 旋光仪 2) 试剂 a. 蔗糖水溶液 1.3 实验内容及说明 请设计一个合理的实验步骤,在某一温度下,通过改变酸的浓度,求出对应于 酸的反应级数及酸催化的反应速率系数(可保留α0-α∞作为常数),实验最好能在 40 min 内完成。 1.4 注意事项 1) 你不能直接用式(4)求得 n,因为:(1) 缺少α∞的值;(2) 实验时间不允许。 2) 本实验只需测定 αt 与 t 的值。但请注意,参赛选手必须合理安排时间;在每个 酸度下,你最多只能测定 10 组αt- t 的值;同时,留心 αt 与 t 具有什么关系是至 关重要的。 3) 本实验没有给参赛选手处理实验结果的直接公式, 该公式被密封在参赛选手桌上 的一个信封里。如果参赛选手无法处理实验结果,可以打开信封得到公式,但参 赛选手的实验成绩要扣 3 分。 4) 最后,建议你再用半分钟时间,仔细阅读并理解下面公式: b. HCl 水溶液 c. 蒸馏水。 b. 数字式恒温槽 c. 秒表。

ln (1 ? x ) = ? x
1.5 回答问题(答案请写在本实验的报告中)

( x << 1)

1) 请选择一种可以代替 H+的用于蔗糖转化的催化剂; 2) 下列哪种仪器可代替旋光仪用于蔗糖转化动力学实验? (1) 电导率仪 (2) 阿贝折射仪 (3) 分光光度计 (4) 量热仪

3) 本实验中引入哪些近似条件?对实验结果会产生哪些影响?

实验 B 试卷

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2. 数据处理(此部分被密封在一个信封中)
对酸催化的蔗糖转化,当酸浓度较低,蔗糖浓度较高时,反应初期的αt 与 t 具有线 性关系:

α t = α 0 ? bt
将 αt 代入:
ln

αt ?α∞ n = ?k H CH t α0 ?α∞
+ +

得:

? bt ? n ln?1 ? ? α ? α ? = ?k H + CH+ t ? 0 ∞ ? ?


bt << 1 α0 ? α∞

时,

? bt ? bt n ln ?1 ? = ? k H + CH + t ?=? α0 ? α∞ ? α0 ? α∞ ?
bt n = k H + CH+ t α0 ?α∞

整理得:

?b ? lg? 2 ? ?b ? ? 1? n= ? C + (2 ) ? ? lg? H ? C + (1) ? ? H ?
由αt- t 关系求出 b2,b1,可求 n,求 b 的方法有:
1) 由αt- t 求斜率; 2) 取平均值:

b = [α(始)-α(终)] / [t(终)- t(始) ]

实验 B 试卷

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成绩:

第三部分 电化学部分——可逆电池电动势的测定
1. 基本原理
一个氧化还原反应在一定条件下可设计成可逆电池, 氧化反应和还原反应分别在两 个电极上进行,使化学能转化为电能,如下列反应: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu 若将 Zn 棒插入 ZnSO4 溶液中,Cu 棒插入 CuSO4 溶液中,中间用盐桥隔开。此可 逆电池的电池图式为: Zn?ZnSO4 (0.1 mol?L-1) ‖ CuSO4 (0.1 mol?L-1) ?Cu 该电池在恒温、恒压、可逆、其他功只有电功的条件下,电池反应有以下关系式: ? r Gm = ? nFE 式中:

ΔrGm 为电池反应摩尔吉布斯函数变;
F 为法拉第常数; n 为电池反应完成ξ=1 mol 时,迁移的电子的量; E 为电池的电动势。

通过测定可逆电池的电动势即可求得摩尔吉布斯函数变。 电池电动势表达式为: E =E+-E式中:E+ 、E- 分别表示正极、负极的电极电势。

2. 仪器及试剂
1.1 仪器 a. UJ-25 型电位差计 b. 超级恒温水浴 c. 直流复射式检流计 d. 标准电池 e. 甲电池 1台 1套 1台 1个 2个 f. 电磁炉水浴 g. 铜电极 h. 锌电极 i. U 形管 j. 导线 1套 1支 1支 1支 若干条

实验 B 试卷

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1.2

试剂 a. 饱和硝酸亚汞溶液 b. 3 mol?L-1 稀硫酸溶液 c. 0.1 mol?L 硫酸铜溶液
-1

d. 0.1 mol?L-1 硫酸锌溶液 e. 饱和氯化钾-琼脂盐桥溶液

3. 实验内容及步骤:
3.1 调节恒温水浴,使其恒温在 35.00 ± 0.05 ℃ 注意:参赛选手将线路连接完毕,必须举手让老师检查合格后,方可接通电源! 超级恒温水浴由以下三部件组成: 1) 恒温控制箱:电源开关、搅拌开关、设定旋钮、温度显示窗; 2) 可调变压器:用来调节加热器的加热功率; 3) 1/10 ℃精密温度计:准确测量水浴温度。 使用方法:输入端接 220V 电源线,输出端接恒温水箱的加热外电源接线头。经监 考老师检查接线无误后, 将输入电源插头插入电源插座, 依次打开控制 箱电源开关、 搅拌开关。 观察并记下显示窗显示的温度值与精密温度计 显示值的差异数,用设定旋钮调节为稍低于欲恒定温度值(约 0.5 ℃), 调节变压器电压使水浴升温, 当接近要求值时, 应灵活调节变压器电压 及设定温度使温度恒定在要求值的± 0.05℃。 3.2 制备电极 1) 制备锌电极 锌电极分别用 00 号砂纸、稀硫酸处理表面上的氧化膜后,在饱和硝酸亚汞 溶液中汞齐化 3 ? 5 秒,用滤纸擦除灰白色氧化锌、去离子水洗净后,备用; 2) 电镀铜电极(此步已事先由监考老师镀好)。 3.3 原电池的组装 1) 盐桥的制备(琼胶在水浴中加热融化需要一段时间,应尽早加热) 将已配制好并加热融化的琼脂氯化钾混合物用滴管加入 U 形管底部细管 中,待冷却凝固后作盐桥用。 2) 原电池装配 已制作好盐桥的 U 形管中分别装入 20 mL 0.1 mol?L-1 硫酸铜溶液和 20 mL 0.1 mol?L-1 硫酸锌溶液并装好相应的电极,放入玻璃恒温水浴中恒温。

实验 B 试卷

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3.4 电池电动势的测定 1) 按照补偿法测电动势的基本原理图连接线路 补偿法基本原理图如下: E ? 工作电池 r ? 可变电阻(标准化) En? 标准电池 Ex? 待测电池 Rn? 可变电阻(调节工作电流) Rx? 可变电阻(测量电动势) G?为直流复射式检流计 K?为换向开关

E Rn

r I a
G RX

b

c

En 1
接线面版图:
检 计 流
检 计 流

K 2

Ex

标 电池 准
标 准

待 量 测 电 势 动 未 1 未

工 工电 池
未 2 未

电 计

+

+

+

1.95~2.2V

2.9~3.3V


RNP

测 测 量 测

I

III

V

1.018V 粗 中 细 微

标 准 电 池 温 度 补 补 测 测 工 工 电 流 调 节 测 测

转 转 化 关 N 按 测

X2 X1 II IV VI

RP

粗 细 短 短

2) 电流标准化操作 按室温 t/℃计算饱和式韦斯顿标准电池的电动势 Ent/V

Ent = 1.01865-4.06×10-5× ( t-20)
3) 分别在 35.00 ± 0.05 ℃、 37.00 ± 0.05 ℃两个温度下准确测量电池电动势(每个温度 下测量三次); 4) 结束实验,将实验桌面及用具恢复到实验前的状态。

4. 回答问题(此思考题答案请写在实验报告中)
从防止电极极化和保护标准电池及检流计的角度,简答操作中应注意的事项。 实验 B 试卷 页码:10/13

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成绩:

第四部分 电解质溶液部分——离子迁移数的测定
1. 实验原理
当电流通过电解池的电解质溶液时,两电极发生氧化-还原反应,而溶液中正离 子和负离子分别向阴极与阳极迁移。若在迁移过程中,正、负离子迁移所携带的电量分 别为 Q+和 Q-,则通过的总电量为:

Q=Q++ Q-
每种离子所传递的电量与总电量之比,称为离子迁移数。 t+ = t? = Q+ Q Q? Q

正离子的迁移数:

负离子的迁移数:

测定离子迁移数的实验方法有:界面移动法、希托夫法( Hittorf )和电动势法。在本 实验中是采用希托夫法测定 Cu2+的迁移数。 根据离子迁移数的定义:

t+ =

阳 离 子 迁 出 ( 入 ) 阳 ( 阴 ) 极 区 的 物 质 的 量 n迁 = 发生电极反应的物质的量 n电

t+ + t-=1
通过实验测定上式中的 n


和 n 电即可算出离子迁移数。此法称为希托夫法。

测定阳离子迁出(入)阳(阴)极区的物质的量,先测定电解前溶液的浓度,再测定电 解后阳极区或阴极区电解质的物质的量。 假定溶剂水不迁移, 根据下面的公式求出阳离 子迁出(入)阳(阴)极区的物质的量。 阳离子迁入阴极区的物质的量:

n 迁=n 后-n 前+n 电
实验 B 试卷 页码:11/13

阳离子迁出阳极区物质的量:

n 迁=n 前-n 后+n 电
对阴极区来说,电解前后 Cu2+的物质的量的关系式为:

n 后 = n 前+ n 迁- n 电
其中:

n 前为电解前阴极区中 Cu2+的物质的量; n 后为电解后阴极区中 Cu2+的物质的量; n 电为电解过程阴极还原生成的 Cu 的物质的量, 可由法拉第电解定律求得; 2+ n 迁为电解过程中迁入阴极区的 Cu 的物质的量;

2. 实验仪器、试剂
2.1 仪器 a. b. c. d. e. f. 直形迁移管 1 支 精密电流表 1 只 电极 2 根 250mL 锥形瓶 3 个 100mL 容量瓶 1 个 秒表 1 个 g. 25mL 移液管 1 支 h. 100mL 烧杯 4 个(其中两个干燥烧杯 放在白塑料盒中) i. 50mL 碱式滴定管 1 支 j. 玻棒、量筒等

2.2 试剂 a. KIO3 基准物(电子天平旁) b. Na2S2O3 溶液(每人 300mL,待标定) c. CuSO4 溶液(每人 250mL,准确浓度 见标签上所标) d. e. f. g. 20%KI 溶液(公用) 1 mol?L-1 HAc 溶液(公用) 0.5%淀粉溶液(公用) 1 mol?L-1H2SO4 溶液(公用)

3. 实验步骤
3.1 Na2S2O3 溶液的标定(在 3.2 节的通电过程中进行) 1) KIO3 标准溶液的配制 准确称取 0.25 ~ 0.30g KIO3 基准物于 100 mL 烧杯中,用蒸馏水溶解,并定 容 100 mL。 2) Na2S2O3 溶液的标定 移取 KIO3 标准溶液 25.00 mL 于锥形瓶中,加入 10 mL 20 % KI 溶液及 5 mL 1 mol·L-1 的 H2SO4 溶液,加水稀释至约 100 mL,立即用待标定的 Na2S2O3 溶液 滴定, 5 mL 0.5%的淀粉指示剂指示终点, 用 平行滴定三份。 记下所消耗 Na2S2O3 溶液的体积,并计算其准确浓度。

实验 B 试卷

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3.2

Cu2+迁移数的测定 1) 将直形迁移管用 CuSO4 溶液荡洗两 次后,按图所示直立夹好,装入约 150 mL CuSO4 溶液。把已处理好的 两电极插入溶液中, 阳极插入离管底 约 4 cm,两极间距离约为 20 cm,最 后调整管内 CuSO4 溶液的量, 使阴极 在液面下约 4 cm。然后将迁移管的 阴、 阳极与稳流电源及精密电流表连 接好。 2) 接通电源, 调节电流强度为 15 mA(以 精密电流表读数为准),连续通电 1 小时(学生用秒表计时)。在电解过程中: 进行 Na2S2O3 溶液浓度的标定;称量要 盛放“中间区”和“阴极区”溶液的空烧杯的质量;经常关注电解的情况。 3) 停止通电,将迁移管中的溶液以 4 : 2 : 4 的体积比分为“阳极区”“中间区”和 、 “阴极区”三个区域,并立即分别将“中间区”和“阴极区”溶液缓慢放入已称 量过的干净烧杯中,称量,记录数据。 4) 用碘量法分析“中间区”和“阴极区”溶液的浓度。分析步骤如下: 将“中间区” 或“阴极区”的溶液定量转入 250 mL 锥形瓶中,加入 10 mL 20% KI 溶液、 mL 1 mol·L-1 HAc 溶液, 10 立即用 Na2S2O3 标准溶液滴定, 5 mL 用 0.5%的淀粉指示剂指示终点。记下所消耗 Na2S2O3 溶液的体积,计算两极溶液中 所含 CuSO4 的物质的量。
阳极片

-

+

?
精密电 流表 阴极片

? +

?

-

稳流电源

4. 说明
4.1 实验过程中凡是能引起溶液扩散、搅动、对流等各种影响因素都必须避免。 4.2 本实验中三个区域的划分很重要。在通电过程及通电结束后,不能晃动迁移管及触 碰电极以免搅动溶液,引起区域界限不明显致使实验失败。 4.3 合理安排实验时间。

实验 B 试卷

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