“測定１ｍｏｌ氣體的體積”實驗方法及裝置的改進

文章編號：1005－6629(2008)08－0013－02中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：C

對于上海市現(xiàn)行的高中教材：《高級中學(xué)課本 化學(xué) 高中二年級第一學(xué)期(試用本)》(上海科學(xué)技術(shù)出版社，2007年8月第1版)，書中第48-49頁上有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)氣體體積測定裝置及實驗”，我在實驗中發(fā)現(xiàn)：該實驗方法及裝置存在一個難以忽視的問題。

下圖是該裝置的三個組成部分：氣體發(fā)生器(A)、儲液瓶(B)和液體量瓶(C)。教材上使用該儀器測算某溫度下1摩爾氫氣體積，實驗方法如下：

1.裝配好化學(xué)反應(yīng)氣體體積測定儀，作氣密性檢查。

2.用砂皮擦去鎂帶表面的氧化物，稱取0.100g～0.110g鎂帶(精確至0.001g)，把數(shù)據(jù)記錄于表格。

3.在A瓶出氣口處拆下膠管，使A瓶傾斜，取下A瓶加料口橡皮塞，用小燒杯加入約20mL水于A瓶中(目的是降低反應(yīng)時硫酸的濃度)，再把已稱量的鎂帶加到A瓶底部，用橡皮塞塞緊加料口。

4.用注射器在A瓶加料口抽氣，使B瓶導(dǎo)管內(nèi)液面和導(dǎo)管外液面持平(如上圖所示狀況)。注射器拔出時要注意捏住針頭拔出。

5.用注射器吸取10mL 3mol/L硫酸，用針頭扎進A瓶加料口橡皮塞，將硫酸注入A瓶，注入后迅速拔出針頭。觀察現(xiàn)象，記錄氣體溫度。

6.當(dāng)鎂帶完全反應(yīng)后，讀出C瓶中液體的體積，讀數(shù)估計至0.2mL～0.3mL(最小刻度值0.5mL的一半)，記錄于表格。

7.用注射器在A瓶加料口抽氣，使B瓶中導(dǎo)管內(nèi)外液面持平。記錄抽出氣體的體積，把數(shù)據(jù)記錄于表格。

將計算后的氫氣體積填入表格。

重復(fù)上述操作進行第二次實驗(將C瓶中品紅溶液倒回B瓶；倒去A瓶內(nèi)反應(yīng)液，洗凈后使用)。

實驗記錄：溫度_______。

*氫氣體積=液體量瓶中液體體積-硫酸體積+抽出氣體體積

兩次實驗平均值：_____________。

實驗溫度下，1mol氫氣體積的理論值(由教師提供)：_________。

實驗誤差： ×100%=________。

我的觀點是：

C瓶中讀數(shù)實為反應(yīng)前后B瓶中液體體積的減少量。由于B瓶中導(dǎo)管內(nèi)液面在反應(yīng)前后均與導(dǎo)管外等高，這里“體積的減少量”既包括了導(dǎo)管外也包括了導(dǎo)管內(nèi)液柱的變化(見下圖)。

可見，反應(yīng)后C瓶內(nèi)的液體包括了上圖儲液瓶中A和B兩個部分的體積，而氫氣占的體積并不包括B部分。

設(shè)B瓶內(nèi)徑為R，導(dǎo)管內(nèi)徑為r，反應(yīng)前液面高度為h0，反應(yīng)后降到h；忽略導(dǎo)管的厚度，則C瓶內(nèi)液體的體積為：

πR2(h0-h)

而氫氣的體積，除了被注射器抽掉的部分，應(yīng)為

π(R2-r2)(h0-h)

兩者相差了πr2(h0-h)， 即導(dǎo)管內(nèi)液柱的體積變化本不該計入生成氫氣的體積，而依照教材中的方法處理數(shù)據(jù)，則會錯誤地計入這部分體積。這就是該裝置及相關(guān)實驗方法中的一個不容忽視的問題。

要減小或消除上述問題引起的誤差，我改進了實驗方法、進行了實驗操作，并記錄處理了相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將有關(guān)實驗方法和結(jié)果歸納如下：

(一)反應(yīng)后抽氣時，將導(dǎo)管中的液面抽到反應(yīng)前液面的高度(反應(yīng)前液面高度用橡皮筋或記號筆在瓶壁外標(biāo)記)。不過，這會使瓶內(nèi)氣體壓強比一個大氣壓略大一些，但這個誤差可以忽略。以此方法進行的實驗，可將原先3%～5%的誤差降到1%以內(nèi)。

(二)通過前面的計算可以得知，實際需要的數(shù)據(jù)是π(R2-r2)(h0-h)，而C瓶讀數(shù)反映的是πR2(h0-h)，兩者之比為： 。對于一架特定的儀器而言，在一定范圍內(nèi)將B瓶和導(dǎo)管視為圓柱體，則這個比例是一個定值。因此只要在實驗時將C瓶的讀數(shù)乘以這一比例，再進行計算，就可以得到更精確的結(jié)果。這個比值可按以下方法求得(見下圖)：

使B瓶導(dǎo)管內(nèi)外液面持平。記錄液面的位置。將少量空氣注入，使導(dǎo)管內(nèi)液面上升而導(dǎo)管外液面下降。測得導(dǎo)管內(nèi)液面高度增量為 Δh，導(dǎo)管外降低的高度為πH。由于B內(nèi)導(dǎo)管周圍減少的液體體積π(R2-r2)ΔH與導(dǎo)管中增加的液體體積π2Δh相等，從而有 = 。這種辦法的缺點是不夠直觀，較難理解。在實驗中，我發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)液柱從下部上升至近B瓶頂端時，導(dǎo)管外液面下降也只不過約2mm，因此 這個比例極難測準(zhǔn)。該方法一般能把誤差控制在1%～2%。

(三)既然導(dǎo)管當(dāng)中的那段液柱體積πr2(h0-h)在瓶的讀數(shù)中是多余的部分，那么最好能夠直接得到這部分體積并扣除。為此教具廠可以把導(dǎo)管內(nèi)不同高度處對應(yīng)的導(dǎo)管內(nèi)液柱體積標(biāo)于瓶壁上。處理實驗數(shù)據(jù)時將反應(yīng)前后液面對應(yīng)的液柱積讀數(shù)之差從C瓶讀數(shù)中扣除即可。限于條件，暫時沒有對方法三進行實驗。

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，方法一和方法二均比教材中的實驗方法得出的數(shù)據(jù)更貼近理論值。相比之下，方法一更加簡單易行，適于推廣。

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