氣體摩爾體積測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

王洋

摘要： 針對(duì)上科版高中教材中“氣體摩爾體積測(cè)定裝置”中存在的多個(gè)不夠完善的地方，利用微量化實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)便、精確度高的裝置，且實(shí)驗(yàn)過程有趣，實(shí)驗(yàn)誤差較小。實(shí)踐表明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置更易于學(xué)生理解和操作。實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)既是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的一種嘗試，也能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深刻理解。

關(guān)鍵詞： 氣體摩爾體積測(cè)定; 微量化; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）8-0077-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2017年版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出：“認(rèn)識(shí)摩爾是物質(zhì)的量的基本單位，能用于進(jìn)行簡(jiǎn)單的化學(xué)計(jì)算，體會(huì)定量研究的方法對(duì)研究和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要作用。認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、假說、模型、比較、分類等科學(xué)方法對(duì)化學(xué)研究的作用?！蹦壳爸髁鹘滩亩甲裱昂暧^現(xiàn)象-數(shù)據(jù)探究-微觀解釋-獲得概念”的邏輯，這符合高中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、邏輯推理的理性思維和對(duì)氣體分子微觀狀態(tài)的想象力，在氣體體積和物質(zhì)的量之間建立橋梁，簡(jiǎn)化了通過質(zhì)量、密度計(jì)算體積的過程，突出了“氣體摩爾體積”的實(shí)用價(jià)值。

中學(xué)化學(xué)中“氣體摩爾體積”是一個(gè)基本概念，是“物質(zhì)的量”概念群中一個(gè)重要的組成因子。既抽象概括了氣體分子的存在和微觀運(yùn)動(dòng)，又展現(xiàn)了氣態(tài)物質(zhì)的物理特性。將實(shí)驗(yàn)探究融入到教學(xué)中不但能促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深刻理解，又有助于學(xué)生形成正確的科學(xué)本質(zhì)觀。“測(cè)定1mol氣體的體積”是高中化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，如上科版高中教材上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（見圖1）[1]。

以該反應(yīng)式為基礎(chǔ)，通過稱量參與反應(yīng)的鎂帶質(zhì)量，推算產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量的理論值;再通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得產(chǎn)物（氫氣）的相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度、壓強(qiáng)值）進(jìn)行計(jì)算求得氫氣摩爾體積的實(shí)驗(yàn)值，最后與理論值進(jìn)行比較。這套裝置（以下稱傳統(tǒng)裝置）因?yàn)闇y(cè)定誤差較大，諸如儲(chǔ)液瓶B的設(shè)計(jì)和讀數(shù)方法存在誤差問題、沒有考慮反應(yīng)的熱效應(yīng)及水的蒸氣壓等而被詬病，所以一般只用來作為氣體摩爾體積測(cè)定的原理進(jìn)行教學(xué)演示，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中誤差較大[2]。

理想氣體方程是綜合了多個(gè)科學(xué)定律的結(jié)晶，反過來，“氣體摩爾體積”和“阿伏伽德羅定律”也可以從理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)獲得[3]?；谝陨显?，筆者設(shè)計(jì)了一套試劑耗量小的實(shí)驗(yàn)裝置（以下稱改進(jìn)裝置），在室溫和常壓下通過快速測(cè)定丁烷的相對(duì)分子質(zhì)量，進(jìn)而探究氣體摩爾體積及氣體常數(shù)的推導(dǎo)。

1 ?儀器準(zhǔn)備與處理

1.1 ?儀器準(zhǔn)備

JA1003N電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）、PP醫(yī)用注射器（刻度為20mL，鎮(zhèn)江康利醫(yī)療有限公司）、熱膠槍、一次性塑料打火機(jī)（市售）、0.2mm乳膠管

1.2 ?儀器處理

（1） 取一個(gè)裝滿丁烷的打火機(jī)，拆下頂部金屬防風(fēng)罩和出氣孔上的彈簧細(xì)管，將皮下注射器針頭的尖端插入打火機(jī)的出氣孔，用熱熔膠在連接處密封、固定（圖2或圖3）。

（2） 將乳膠管套在PP醫(yī)用注射器出氣端，修整使乳膠管剛好可以插入注射器針頭的粗端（可在水中進(jìn)行氣密性測(cè)試）。

2 ?氣體摩爾體積測(cè)定過程

2.1 ?實(shí)驗(yàn)步驟與說明

（1） 打開電子天平，秤盤上放一稱量紙，顯示屏示數(shù)穩(wěn)定后按去皮鍵歸零，天平顯示0.0000g。

（2） 稱量插有注射器針頭的打火機(jī)的質(zhì)量，精確至小數(shù)位0.0001g。

（3） 連上20mL醫(yī)用注射器，摁住打火機(jī)放氣閥，把打火機(jī)內(nèi)丁烷收集到注射器中，直至集得約20mL丁烷氣體（收集氣體過程中，氣流速度要均勻而緩慢）。

（4） 收集完畢后，再次稱量打火機(jī)（包括針頭）的質(zhì)量，并計(jì)算出前后質(zhì)量差。

（5） 丁烷的摩爾質(zhì)量為58g/mol，計(jì)算出丁烷氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的摩爾體積，并與標(biāo)準(zhǔn)值作比較。

（6） 假設(shè)室溫為20℃，大氣壓為1atm，計(jì)算出氣體常數(shù)R，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較。

（7） 重復(fù)上述操作，測(cè)出多組數(shù)據(jù)（表1）。

（8） 數(shù)據(jù)分析與處理。

理想氣體狀態(tài)方程為pV=nRT（p為壓強(qiáng)，T為熱力學(xué)溫度，R為常數(shù)約為8.31， V為體積，n為物質(zhì)的量）。實(shí)驗(yàn)室測(cè)定氣體的摩爾體積，原理如下：

2.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積約為22.4L/mol，結(jié)合理想氣體方程可求得實(shí)驗(yàn)條件（20℃，1atm）下的氣體摩爾體積約為24.04L/mol。

配合精密天平，在已知?dú)怏w摩爾質(zhì)量的基礎(chǔ)上，該裝置還可以用來測(cè)定其他氣體（如二氧化碳等），實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都比較理想。

3 ?裝置創(chuàng)新點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)感悟

氣體摩爾體積的測(cè)定原理： Vm=Vn=Vm/M，對(duì)于已知摩爾質(zhì)量的氣體，只需要測(cè)定氣體的體積和氣體的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的最大特點(diǎn)是將間接測(cè)量的數(shù)據(jù)（氣體的質(zhì)量和氣體的體積）變?yōu)橹苯訙y(cè)量，不僅操作簡(jiǎn)單，而且誤差小。

上科版教材上氣體摩爾體積測(cè)定裝置，考慮到實(shí)際測(cè)量氣體的質(zhì)量與氣體的體積不便，通過金屬鎂與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，將氫氣的質(zhì)量與金屬鎂的物質(zhì)的量進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算;氣體的體積較難測(cè)定，通過排開儲(chǔ)液瓶中的液體并收集，進(jìn)行測(cè)量。由于數(shù)據(jù)是間接測(cè)量，就可能引入更多的實(shí)驗(yàn)誤差，例如鎂帶未完全除盡表面的氧化物、反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體的溫度升高或者裝置漏氣等，給整個(gè)實(shí)驗(yàn)帶來較大的誤差[4]。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為測(cè)定氣體的體積比測(cè)定氣體的質(zhì)量要容易，而我們改進(jìn)的微量化實(shí)驗(yàn)裝置，通過采用打火機(jī)放出純凈的丁烷氣體，利用注射器和電子天平可以方便迅速地直接測(cè)量氣體的體積和質(zhì)量，進(jìn)而可以求得氣體的摩爾體積。變間接測(cè)量為直接測(cè)量，誤差小，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便精確。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案中每次實(shí)驗(yàn)消耗試劑不到0.05g，屬微量化實(shí)驗(yàn)。所謂的微量化實(shí)驗(yàn)就是在保證試劑用量小、污染少、省時(shí)間、易操作的同時(shí)，仍可使用常規(guī)儀器、裝置，仍能達(dá)到常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)的可見度[5， 6]。

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)： （1）實(shí)驗(yàn)微量化但可見度高;（2）實(shí)驗(yàn)精確度高;（3）可操作性強(qiáng);（4）實(shí)驗(yàn)取材方便且有趣?？傊@套實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微量化、操作簡(jiǎn)易、制作難度低、實(shí)驗(yàn)原理通俗易懂。整套裝置的制作只需打火機(jī)一個(gè)、注射器一只、電子天平一架、相應(yīng)的少許輔助器材即可;實(shí)驗(yàn)中使用20mL、 60mL的注射器進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的誤差精度均在±1%之間;操作簡(jiǎn)單，容易上手，無論是教學(xué)演示還是讓學(xué)生動(dòng)手操作都安全可行。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，一開始就盡力通過不同實(shí)驗(yàn)條件和方法探究排除所有外界干擾，減小實(shí)驗(yàn)誤差。曾考慮到將裝置放入水中探討空氣中和水壓狀態(tài)下，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異;考慮到大氣浮力是否會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響;還考慮了溫度的熱交換是否會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差;甚至試驗(yàn)了不同規(guī)格的注射器（10mL、 20mL、 60mL、 100mL），從中選擇20mL規(guī)格的注射器可使實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)到最小化。通過一次次的失敗和改進(jìn)契機(jī)，才換來裝置的成功。

利用改進(jìn)后的裝置，還可以很好地在課堂上直接測(cè)定其他氣體（例如二氧化碳等）的氣體摩爾體積，并進(jìn)行相關(guān)的探究與比較，探討進(jìn)一步減小誤差的可行性研究。該裝置不僅課堂演示方便，也便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，希望能在教學(xué)中被推廣，進(jìn)而優(yōu)化相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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