對教材中摩爾氣體常數測定實驗原理誤解的更正

林源為 遲瑛楠

(北京理工大學理學院 北京100081)

對教材中摩爾氣體常數測定實驗原理誤解的更正

林源為 遲瑛楠*

(北京理工大學理學院 北京100081)

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

摩爾氣體常數(R)的測定是高等院校無機化學課程中的一個重要實驗，在實驗教學過程中普遍被采納。本實驗的目的是通過實驗設計和操作，加深對理想氣體狀態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R，即采用圖1所示裝置，使用定量的鎂條與稀硫酸反應置換出氫氣，通過測量反應前后量氣筒內氣體體積變化，結合理想氣體狀態方程和道爾頓分壓定律，進而計算出R的數值。理想氣體狀態方程式和道爾頓分壓定律為該實驗原理的核心。雖然現行教材中最終運用正確的數據處理方法求出了R值，但是關于為何采用這樣數據處理方法沒有給出正確合理的解釋［1-5］。我們認為現行實驗教材在該實驗原理理解方面出現了兩處誤解。由于此類錯誤隱蔽性很強，因而很難引起教學工作者的注意。

圖1 摩爾氣體常數測定裝置

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。即準確稱取一定質量的鎂條，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，用量氣管前后讀數之差測得被置換出來的氫氣的體積，而氫氣的物質的量可通過鎂條的質量算出。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，則根據分壓定律，氫氣的分壓可由下式求得:

則

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

2 更正分析

圖2 反應前后體積變化示意圖

(1)先分析第一處誤解。現行教材普遍認為發生置換反應前后量氣管內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:當達到飽和蒸氣壓且有液態水存在時，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發生前后量氣管內氣體體積的變化。具體到該實驗，置換產生氫氣的反應發生前，量氣管的讀數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);而置換產生氫氣的反應發生后，量氣管的讀數 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)現行教材的第二處錯誤出現在對混合氣體體系下的理想氣體狀態方程式的使用方面。教材中認為對于氫氣和水蒸氣的混合體系存在piVi=niRT，根據道爾頓分壓定律應該有piV總=niRT或者p總Vi=niRT(其中下標i的物理量表示混合氣體體系中i組分氣體的對應物理量，下標為“總”的物理量表示整個混合氣體體系所對應的物理量)［6-7］。我們可以對后兩個公式的正確性作簡單的推導，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 結論

筆者認為，在有關教材再版時應該更正這兩處誤解，用正確的實驗原理來支持實驗的數據處理和計算。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方程式進行合理表述。

［1］ 徐偉亮.基礎化學實驗.北京:科學出版社，2005

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

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

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

［5］ 朱湛，傅引霞.無機化學實驗.北京:北京理工大學出版社，2007

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

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

* 通訊聯系人，E-mail:cyn7887@yahoo.com.cn