對教材中摩爾氣體常數(shù)測定實驗原理誤解的更正

林源為 遲瑛楠

(北京理工大學(xué)理學(xué)院 北京100081)

對教材中摩爾氣體常數(shù)測定實驗原理誤解的更正

林源為 遲瑛楠*

(北京理工大學(xué)理學(xué)院 北京100081)

摩爾氣體常數(shù)的測定是高等院校無機化學(xué)課程中的一個重要實驗。然而，現(xiàn)行實驗教材對該實驗的實驗原理分析中卻出現(xiàn)了兩處誤解，即沒有正確理解實驗中有關(guān)理想氣體狀態(tài)方程式和道爾頓分壓定律的應(yīng)用。本文對這兩處誤解進(jìn)行了分析和解釋。

摩爾氣體常數(shù)(R)的測定是高等院校無機化學(xué)課程中的一個重要實驗，在實驗教學(xué)過程中普遍被采納。本實驗的目的是通過實驗設(shè)計和操作，加深對理想氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律的理解。

目前，實驗教材都是采用置換法來測定摩爾氣體常數(shù)R，即采用圖1所示裝置，使用定量的鎂條與稀硫酸反應(yīng)置換出氫氣，通過測量反應(yīng)前后量氣筒內(nèi)氣體體積變化，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律，進(jìn)而計算出R的數(shù)值。理想氣體狀態(tài)方程式和道爾頓分壓定律為該實驗原理的核心。雖然現(xiàn)行教材中最終運用正確的數(shù)據(jù)處理方法求出了R值，但是關(guān)于為何采用這樣數(shù)據(jù)處理方法沒有給出正確合理的解釋［1-5］。我們認(rèn)為現(xiàn)行實驗教材在該實驗原理理解方面出現(xiàn)了兩處誤解。由于此類錯誤隱蔽性很強，因而很難引起教學(xué)工作者的注意。

圖1 摩爾氣體常數(shù)測定裝置

1 教材中對實驗原理的大致敘述

在教材中，對于摩爾氣體常數(shù)測定實驗原理的描述大致如下［1-5］:

因此，對一定量的氣體，若能在一定溫度、壓力下測出其體積，則可求出R值。即準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的鎂條，與過量的稀硫酸作用，在一定溫度T(可由溫度計讀出)和壓力p(由氣壓計讀出)下，用量氣管前后讀數(shù)之差測得被置換出來的氫氣的體積，而氫氣的物質(zhì)的量可通過鎂條的質(zhì)量算出。但由于氫氣是在水面上收集的，故混有水汽，若查得實驗溫度下水的飽和蒸氣壓，則根據(jù)分壓定律，氫氣的分壓可由下式求得:

則

在以上關(guān)于實驗原理的敘述中，出現(xiàn)了兩處誤解:一處是關(guān)于氫氣產(chǎn)生前后量氣管讀數(shù)之差(V2－V1)所代表的意義;另一處是關(guān)于理想氣體狀態(tài)方程式在混合氣體體系下的應(yīng)用。

2 更正分析

圖2 反應(yīng)前后體積變化示意圖

(1)先分析第一處誤解。現(xiàn)行教材普遍認(rèn)為發(fā)生置換反應(yīng)前后量氣管內(nèi)的體積之差為生成的氫氣體積。但事實上，前后體積之差并不完全是氫氣的體積，而是氫氣和水蒸氣的總體積。這是由于水蒸氣的特性造成的:當(dāng)達(dá)到飽和蒸氣壓且有液態(tài)水存在時，水蒸氣的體積會隨著其存在空間的增大而增大。如圖2所示，該圖表示了置換反應(yīng)發(fā)生前后量氣管內(nèi)氣體體積的變化。具體到該實驗，置換產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)發(fā)生前，量氣管的讀數(shù)V1包括空氣的體積 V(空氣)與水蒸氣的體積 V1(H2O)，即V1=V(空氣)+V1(H2O);而置換產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)發(fā)生后，量氣管的讀數(shù) V2為空氣的體積 V(空氣)、氫氣的體積V(H2)、原有水蒸氣的體積V1(H2O)、新增水蒸氣的體積V2(H2O)的總和，即V2=V(空氣)+V(H2)+V1(H2O)+ V2(H2O)。這樣V2－V1=V(H2)+V2(H2O)，而不是教材所理解的V2－V1=V(H2)。

(2)現(xiàn)行教材的第二處錯誤出現(xiàn)在對混合氣體體系下的理想氣體狀態(tài)方程式的使用方面。教材中認(rèn)為對于氫氣和水蒸氣的混合體系存在piVi=niRT，根據(jù)道爾頓分壓定律應(yīng)該有piV總=niRT或者p總Vi=niRT(其中下標(biāo)i的物理量表示混合氣體體系中i組分氣體的對應(yīng)物理量，下標(biāo)為“總”的物理量表示整個混合氣體體系所對應(yīng)的物理量)［6-7］。我們可以對后兩個公式的正確性作簡單的推導(dǎo)，從而證明教材所理解的piVi=niRT是不成立的:

①piV總=niRT

②p總Vi=niRT

3 結(jié)論

筆者認(rèn)為，在有關(guān)教材再版時應(yīng)該更正這兩處誤解，用正確的實驗原理來支持實驗的數(shù)據(jù)處理和計算。即在實驗原理中，作如下修正:①將V(H2)=V2－V1改為V總=V2－V1，并加以簡單闡述;②對混合氣體體系的理想氣體狀態(tài)方程式進(jìn)行合理表述。

［1］ 徐偉亮.基礎(chǔ)化學(xué)實驗.北京:科學(xué)出版社，2005

［2］ 徐家寧，門瑞芝，張寒琦.基礎(chǔ)化學(xué)實驗(上冊)無機化學(xué)和化學(xué)分析實驗.北京:高等教育出版社，2006

［3］ 中山大學(xué)，遼寧大學(xué)，北京大學(xué)，等.無機化學(xué)實驗.第3版.北京:高等教育出版社，1992

［4］ 大連理工大學(xué)無機化學(xué)教研室.無機化學(xué)實驗.第2版.北京:高等教育出版社，2004

［5］ 朱湛，傅引霞.無機化學(xué)實驗.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007

［6］ 宋天佑，程鵬，王杏喬.無機化學(xué)(上冊).北京:高等教育出版社，2004

［7］ 彼得勒塞，哈伍德，赫林.普通化學(xué)原理與應(yīng)用.第8版(影印版).北京:高等教育出版社，2004

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