基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)的理想氣體常數(shù)的測(cè)定

馬善恒+夏建華

摘要：傳統(tǒng)測(cè)定理想氣體常數(shù)的方法存在誤差較大、不易操作、直觀性差等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)使用溫度傳感器、壓力傳感器，測(cè)定出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)完全升華后的動(dòng)態(tài)的壓強(qiáng)和溫度變化曲線，在軟件中輸入相關(guān)函數(shù)，可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)，并能明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的這一特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：理想氣體常數(shù)；數(shù)據(jù)采集器；溫度傳感器；氣壓傳感器

文章編號(hào)：1008-0546（2017）08-0087-01 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.030

一、問題提出

傳統(tǒng)測(cè)定理想氣體常數(shù)的裝置圖如下[1-5]，根據(jù)公式R=PV/nT，利用Mg+H2SO4MgSO4+H2↑，稱取Mg的質(zhì)量計(jì)算出氫氣的物質(zhì)的量n，P為大氣壓，溫度為常溫下。

該實(shí)驗(yàn)可以粗略測(cè)定出理想氣體常數(shù)，但尚存在以下三個(gè)問題：

①實(shí)驗(yàn)中水蒸氣會(huì)造成一定的誤差；

②鎂條不純或表面被氧化會(huì)帶來一定的誤差；

③該實(shí)驗(yàn)不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。

二、數(shù)字實(shí)驗(yàn)下理想氣體常數(shù)的測(cè)定

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)測(cè)定理想氣體常數(shù)

2. 實(shí)驗(yàn)原理

PV=nRT

R = PV/nT =PVM/mT

P運(yùn)用壓力傳感器可以直接測(cè)出

V運(yùn)用排水法可以測(cè)出容器體積

T運(yùn)用溫度傳感器可以直接測(cè)出

m運(yùn)用質(zhì)量差測(cè)出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)的質(zhì)量

碘單質(zhì)在45℃時(shí)升華已比較明顯，筆者在三頸瓶?jī)?nèi)放入過量的碘單質(zhì)，并將三頸瓶完全浸入在水槽中的熱水浴內(nèi)（水溫在90℃左右），利用碘單質(zhì)的升華趕盡三頸瓶?jī)?nèi)的空氣，排出的空氣及碘蒸汽通入氫氧化鈉溶液中。待裝置內(nèi)碘單質(zhì)完全升華，關(guān)閉止水夾，測(cè)定出此時(shí)裝置內(nèi)溫度及氣壓變化曲線，利用裝置質(zhì)量差計(jì)算出此時(shí)裝置內(nèi)的碘單質(zhì)含量，在配套軟件上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

3. 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

電腦（裝有威尼爾配套軟件）、數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器、溫度傳感器、水槽；碘單質(zhì)、90℃左右的熱水。

4. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

5. 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）如圖2所示連接，三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到1mol/L氫氧化鈉溶液中，打開電腦軟件。

（2）稱三頸瓶的質(zhì)量（含塞子及不可取下的連線）為354.792g。打開瓶塞，向其中加入約10g的碘單質(zhì)，如裝置圖連接好。

（3）打開止水夾，將三頸瓶整體沒入熱水?。囟燃s90℃）中加熱，加熱至三頸瓶底部沒有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，點(diǎn)擊軟件上的“采集”按鈕，移開酒精燈，采集約1min。點(diǎn)擊“停止采集”按鈕。

（4）待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時(shí)三頸瓶的質(zhì)量（含塞子及不可取下的連線）為352.602g，即三頸瓶?jī)?nèi)此時(shí)含有碘單質(zhì)的質(zhì)量為2.190g。

（5）點(diǎn)擊軟件“數(shù)據(jù)”欄中的“新計(jì)算欄”，在“參數(shù)”欄中輸入“體積=0.251L”、“質(zhì)量=2.190g”、“碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量=254.000g/mol”。在“公式”欄中輸入“（碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量？鄢體積？鄢”壓力”）/（“溫度”？鄢質(zhì)量）”，勾選“在實(shí)時(shí)讀數(shù)時(shí)顯示”，點(diǎn)擊“完成”。

（6）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

從圖3中可以看出，熱力學(xué)常數(shù)并不受溫度和壓力同時(shí)變化的影響，測(cè)出數(shù)據(jù)約為8.30kPa·L·mol-1·K-1，準(zhǔn)確度達(dá)99.83%。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行理想氣體常數(shù)測(cè)定時(shí)，存在誤差大，不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)利用碘蒸汽升華排出裝置內(nèi)的空氣，有效地減少了誤差。其次，本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，測(cè)定出溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)后，直接在威尼爾軟件中設(shè)置一下即可得出結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 上?；W(xué)院無機(jī)化學(xué)教研組. 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn) [M]. 北京：人民教育出版社，1979：30-32

[2] 周寧懷. 微型無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2000：24-27

[3] 于濤. 微型無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：33-34

[4] 吳江. 大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn) [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：132-134

[5] 韓莉，等.關(guān)于“理想氣體常數(shù)R的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)原理的討論[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007（8）：27-29