物理化学综合实验_常见钾盐对水比热容的影响_陈书鸿

第34卷第6期2015年6月

实验室研究与探索

ＲESEAＲCHAND EXPLOＲATIONIN LABOＲATOＲY

Vol．34No．6

Jun．2015

——常见钾盐对水比热容的影响物理化学综合实验—

陈书鸿，张丽莹，江

涛，李廷真

（重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆404100）

——常见钾盐对水比热容的影响。在检验要：设计了一个物理化学综合实验—

首先测定了量热计的热容，然量热计在室温附近的绝热性能满足实验要求基础上，摘

后采用电热法测量了不同浓度钾盐水溶液的比热容。获得了水溶液比热容随氯化

钾和硝酸钾浓度的增加而减小的变化规律和变化规律线性方程，并比较了不同钾盐之间的影响差异。通过常见钾盐对水比热容的影响实验的开展，培养了学生发现、分析、解决问题的能力。关键词：比热容；综合实验；氯化钾；硝酸钾中图分类号：O 642．3文献标志码：A 文章编号：1006－7167（2015）06－0185－04

Influencing of Potassium Salt on the Specific Heat Capacity of Water

———a Comprehensive Experiment of Physical Chemistry

CHEN Shu-hong ，ZHANG Li-ying ，JIANG Tao ，LI Ting-zhen

（College of Environmental and Chemical Engineering ，Chongqing Three Gorges University ，Chongqing 404100，China ）Abstract ：A comprehensive experiment of physical chemistry was designed to investigate the influence of different potassium salts on the specific heat capacity of water．In the experiment ，the adiabaticity of the calorimeter was measured at ambient temperature ，and the results indicated that the adiabaticity of the calorimeter can meet the requirements of the designed experiment．Based on the measurements of the calorimeter adiabaticity ，the specific heat capacity of the aqueous solution with different potassium concentrations was measured using an electrothermal method．The results indicated that the solution specific heat capacity decreases gradually with the potassium concentration increasing ，and that potassium chloride shows the strongest influence on the specific heat capacity of water among the investigated potassium salts．This exploratory research will help the students develop their abilities in discovering ，analyzing and solving problems．

Key words ：specific heat capacity ；comprehensive experiment ；potassium chloride ；potassium nitrate

0引言

物理化学实验是化学、化工类专业的一门重要基

础课程，它综合了化学领域中各分支所需的基本工具和研究方法，是一门理论性、实践性和技术性很强的课

收稿日期：2014－07－04

基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目（133014）

作者简介：陈书鸿（1975－），男，四川丹棱人，学士，高级实验师，环境与化学工程学院实验室主任，从事实验教学工作，三峡库区环境保护mail ：shchen1975@163．com 研究。Tel．：[1**********]；E-

程–。较多学者认为实验能力的培养应分为三个阶

基本技能和基本方法；②段或层次：①掌握基础知识、

“三基”能将融会贯通、综合运用的能力；③从实验过

［5-10］

。综合实验一般是几个实验的有机组渡到研究

合，涉及到同一门课程的不同实验或是多门课程的不同实验，能够培养学生综合运用化学理论知识和基本

［11-15］

。除了单独实验技能解决实际化学问题的能力

开设综合化学实验课程，还可以在基础化学实验中开设小型综合实验，同样能够培养学生的综合运用能力，

［15-18］

。这种方式在实验教学中已被广泛采用

比热容是物质的重要参数之一，对物理学和化学

［14］

186实验室研究与探索

第34卷

的理论研究及与化工、能源和材料有关的工程技术设

［19-20］

。测定液体比热容的方法较计均有重要意义

［24-25］

，。为物理化学实验中一般采用电加热法

了加强学生综合能力及创新能力的培养，充分发挥现

（3）分别保存数据，并将数据导入Origin 软件，进

行作图分析。1．3．2

量热计热容的测定（1）连接实验装置，开启温度温差仪，测量室温

多

［21-25］

有实验设备的作用，本文设计了“常见钾盐对水比热

容的影响”综合实验，目的是通过对不同浓度钾盐溶液的比热容测量，分析不同钾盐对水比热容的影响，借

分析、解决问题的能力。以培养学生发现、

（T 环）。称量干燥量热计质量（m 1计），然后称取235．0

g 水于量热计中，放入磁力搅拌子。开搅拌器，调节合适的转速。用溶解热实验软件记录数据（t ，ΔT ）。

（2）测量量热计内温度，如果低于室温1ħ 以上，快速设定电源功率约2．5W ，开始加热，记下电压电流（U 、I ）。当量热计内温度低于室温1ħ 时，迅速将温

1

1．1

实验部分

实验原理

［24］

在用保温杯作成的量热计（当作绝热量热计）中

装有电阻为Ｒ的电热丝，若电热器的两端的电压为U ，电流为I ，通电时间为t ，则电热器放出的热量为：

Q =I 2Ｒt=IUt （1）若向量热计中加某已知热容为C A 、质量为m A 的

液体A （一般用纯水），加热后使量热计内的温度升高ΔT A 。假定损失的热量可忽略，即全部热量用于提高量热计及内部液体的温度，则可写出如下热平衡式：IUt A =C A ΔT A +C 计ΔT A （2）式中：C 计为量热计的热容，即除液体以外，使体系温J /K；ΔT A 为绝热温升。用式度上升1K 所需的热，

（2）可计算出量热计的热容C 计。

测定未知液体x 的热容时，将一定质量m 的未知液体加入量热计中用同样方法进行实验，同样可写出：IUt x =C x ΔT x +C 计ΔT x （3）

将C 计、绝热温升ΔT x 、电压U 、电流I 和通电时间为t x 代入上式，即可计算出所测液体的热容C x 。比热容c x =C x /m 。

1．2实验仪器和试剂

ＲJ，仪器：溶解热实验装置（SWC-南京桑力电子设备厂），电子天平（规格1200g /0．1g ，上海菁华科技I-20T ，仪器有限公司），纯水机（UPT-成都优普科学仪TCL 电脑科技器有限公司），微型计算机（精鼎6100，

有限责任公司）。

试剂：氯化钾（分析纯），硝酸钾（分析纯），纯水。1．31．3．1

实验步骤

量热计绝热性能测试（1）连接实验装置，开启温度温差仪，测量室温

差置零，同时记录数据。直到量热计内温度高于室温

1ħ 时，停止记录数据，停止实验。（3）保存数据，导入Excell 软件，找出温差ΔT 1为0．5ħ 时的时间t 1，温差ΔT 2为1．0ħ 时的时间t 2，温温差ΔT 4为2．0ħ 时的差ΔT 3为1．5ħ 时的时间t 3，时间t 4，分别进行计算，然后取平均值。1．3．3

盐溶液比热容的测定

（1）配制溶液。称取分析纯KCl 固体10．0g ，在250mL 容量瓶中配制浓度为0．04g /mL的溶液。配0．12、0．16、0．20g /mL的溶液待用。制浓度为0．08、

（2）连接实验装置，开启温度温差仪，测量室温（T 环）。称量干燥量热计质量（m 2计），如m 2计=m 1计（如不相等，需干燥），称取235．0g 盐溶液于量热计中，放入磁力搅拌子。开搅拌器，调节合适的转速。用溶解热实验软件记录数据（t ，ΔT ）。

（3）同1．3．2第（2）步。

（4）同1．3．2第（3）步。

2

2．1

实验结果与讨论

量热计在室温附近的绝热性能

0．5、－0．5、－1．0ħ 时量热计与室温之差为1．0、

的温差随时间的变化曲线见图1所示。从图1可以看

出，在各个温差下的曲线较平稳，量热计与环境的热交换非常小，从教学实验角度来看，误差在允许范围内。还可以看出，在低于室温时，量热计从环境吸收少量热；高于室温时，量热计向环境放出少量热。

因此实验

（T 环）。称取235．0g 水于量热计中，放入磁力搅拌

子。开搅拌器，调节合适的转速。打开溶解热实验软件记录数据（t ，ΔT ）。

（2）测量量热计内温度，如果低于室温约1ħ ，则t ≈600s 。然后设定电源功率约开始用软件记录数据，2．5W ，加热液体，在低于室温约0．5ħ 停止加热，稳t ≈600s 。然后采用相定几分钟后，则开始记录数据，

同的方法测量了高于室温0．5ħ 和1ħ 时的数据。

图1

量热计在室温附近的绝热性能曲线

第6期

陈书鸿，等：物理化学综合实验—常见钾盐对水比热容的影响

187

温度选择在室温附近，量热计内温度从室温以下变化

到室温以上，在这整个过程中，吸放热可以相互抵消一部分，也可以减小实验误差。如需进一步校正误差，可

［26］

以采用牛顿散热定律进行修正。在物理化学实验中，一般忽略此项误差。2．2量热计的热容

根据式（2）计算出量热计热容列于表1。从表1

4次实验的值很接近，可以看出，说明本实验方法测量的数据精密度较高，重现性好，结果较为可靠。

表1

溶液比热容随浓度增大而变小，呈负线图2可以看出，

性关系，斜率为－4．13292，相关系数Ｒ=－0．99763；

［27］

这和最近付睿丽等测定NaCl 溶液比热容的结果相似。KCl 降低了水的比热容，可能是因为KCl 溶于水

后，阴阳离子分别于水结合成水合离子，减少了氢键的数量或者降低了氢键的强度。2．4

KNO 3溶液的比热容

0．08、0．12、0．16、0．20g /mL的依次将0．04、

KNO 3溶液分别进行3次平行实验，根据式（3）及c x =C x /m 计算出比热容，列于表3。将KNO 3溶液的比热容与浓度关系作图并拟合关系式，见图3。

表3

量热计的热容

J /K

各浓度KNO 3溶液的比热容

2．3KCl 溶液的比热容

0．08、0．12、0．16、0．20g /mL的KCl 依次将0．04、

溶液分别进行3次平行实验，根据式（3）及c x =C x /m 计算出比热容，列于表2。将KCl 溶液的比热容与浓度关系作图并拟合关系式，见图2。

表2

各浓度KCl 溶液的比热容

图3不同浓度KNO 3溶液的比热容

从表3可以看出，混合溶液比热容均小于水的比

热容（4．19J /（g ·K ））；各个浓度的平行测量比热容比较接近，说明数据精确度较好，实验重现性较好。从图3可以看出，溶液比热容随浓度增大而变小，呈负线

图2

不同浓度KCl 溶液的比热容

从表2可以看出，混合溶液比热容均小于水的比

热容（4．19J /（g ·K ））；各个浓度的平行测量比热容比较接近，说明数据精确度较好，实验重现性较好。从

性关系，斜率为－3．70094，相关系数Ｒ=－0．99505；

［27］

也和付睿丽等的实验结果相似。KNO 3降低了水的比热容，可能是因为KNO 3溶于水后，减少了氢键的数量或者降低了氢键的强度。

为了比较KCl 和KNO 3对水比热容影响的差异，

188实验室研究与探索

第34卷

将相关数据作图，如图4所示。从图4并结合两者拟

KCl 和KNO 3对水比热容影合函数的斜率可以看出，

KCl 引起水溶液的比热容降低幅度更大响是不同的，

些。从图4还可以看出随着钾盐浓度的增大，两者的差距也增大。出现这种差异的原因可能是Cl 和NO 3－基团的体积差异引起的；并从物理化学教材［19］

－2

NO 3－的电迁查得Cl 的电迁移率为7．91m /（s ·V ），

－

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间的热传递差异

。

2

图4KCl 和KNO 3溶液比热容的比较

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通过实验测定，可以得到：①随着KCl 或KNO 3

浓度增大，水溶液比热容变小，两者呈负线性关系。②

KCl 和KNO 3对水溶液比热容的影响显著程度不同，拟合得到的KCl 溶液直线方程斜率绝对值较大，其对水溶液比热容影响更为显著。

通过对本综合实验的开展，可以巩固学生的基本知识，扩充实验数据处理等方面的知识，锻炼实验操作培养学生综合应用知识能力和创新能力。动手能力，

从实施情况来看，起到了对学生发现问题、分析问题、解决问题等能力的培养效果。本实验的优势主要体现在两个方面：（1）利用物化实验现有设备，易于实现；（2）实验拓展性强，本实验题目还可以拓展为：①常见阳离子对水比热容的影响；②常见阴离子对水比热容的影响；③可溶性有机物对水比热容的影响。④电解质溶液电导率与比热容的关系。参考文献（Ｒeferences）：

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