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    常溫下體積法測定氧氣摩爾質(zhì)量的實驗設(shè)計

    2015-06-14 00:22:19王發(fā)應(yīng)羅顯中
    化學(xué)教學(xué) 2015年5期
    關(guān)鍵詞:實驗設(shè)計

    王發(fā)應(yīng)+++羅顯中+++劉++玲

    摘要:為了使學(xué)牛真正理解和掌握摩爾質(zhì)量的概念及由來,充分利用玻璃注射器對壓力反應(yīng)靈敏、刻度準(zhǔn)確、氣密性良好等特點進(jìn)行常溫下體積法測定氧氣摩爾質(zhì)量實驗的設(shè)計,使實驗過程能自動收集氣體并調(diào)節(jié)裝置內(nèi)外的壓力相一致。通過測量過氧化氫溶液在二氧化錳的催化作用下產(chǎn)牛氧氣的體積,可以求出氧氣的摩爾質(zhì)量。實驗操作簡單,實驗成本低,便丁推廣。

    關(guān)鍵詞:體積法測定;氣體摩爾質(zhì)量;實驗設(shè)計;化學(xué)實驗探究

    文章編號:1005 - 6629(2015)5 - 0066 - 03

    中圖分類號:G633.8

    文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

    1 問題的提出

    在學(xué)習(xí)摩爾質(zhì)量一節(jié)時[1],各種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量的數(shù)值都是通過理論推導(dǎo)得出的,導(dǎo)致課堂教學(xué)顯得枯燥無味,不便于學(xué)生掌握,增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。那么,能否通過實驗來測定,將這一知識點的學(xué)習(xí)由感性認(rèn)識逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J(rèn)識,從而降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度,實現(xiàn)有效教學(xué)?

    2 研究目的

    為了解決這一問題,我們通過網(wǎng)絡(luò),以“常溫下氧氣摩爾質(zhì)量的測定”、“氧氣摩爾質(zhì)量的測定”、“摩爾質(zhì)量的測定”等詞條進(jìn)行搜索,結(jié)果都沒有找到所需的內(nèi)容。為此,我們設(shè)計了如下實驗。

    3 實驗方法

    3.1 實驗原理

    雙氧水在二氧化錳的催化作用下分解生成氧氣。

    通過網(wǎng)上資料查到,標(biāo)準(zhǔn)狀況( 20℃,latm)下,氧氣的密度為1.43 g/L,水的密度為0.998 g/cm3。再將《水的密度表》[2]和《過氧化氫濃度密度對照表》[3]進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)在同一條件下,溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%的雙氧水的密度與水的密度非常接近,特別是3%的雙氧水與水的密度幾乎相等,約為0.998 g/cm3,為了方便數(shù)據(jù)處理,我們按1.0 g/cm3進(jìn)行計算。

    設(shè)常溫常壓下(實驗時間為2014年10月16日下午17:30~18:30,實驗條件為:98.8kPa,16℃,實驗地點為貴州省金沙縣城區(qū)),氧氣的摩爾質(zhì)量為M( g/mol),當(dāng)用ImL 3%的雙氧水(廣東恒健制藥有限公司生產(chǎn)的“恒健”牌過氧化氫溶液)來做實驗時,完全反應(yīng)后產(chǎn)生的氧氣體積為V (mL),則有:

    上式說明,只要測得ImL溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的雙氧水在常溫常壓下完全分解后產(chǎn)生的氧氣體積V即可計算出氧氣的摩爾質(zhì)量。

    但如何才能準(zhǔn)確測定反應(yīng)中所產(chǎn)生的02的體積呢?通過“常溫下氣體摩爾體積的測定”[4]一文的研瀆,發(fā)現(xiàn)該方法可行,但文中所述實驗方法是利用排水集氣法收集并測量反應(yīng)產(chǎn)生的O2,體積,涉及到反應(yīng)前后兩次調(diào)節(jié)集氣筒和集液筒中液面高度的操作,操作比較麻煩。為了簡化實驗操作,我們考慮作以下改進(jìn)。

    (1)由于是通過測量體積而不是稱質(zhì)量來測定氧氣的摩爾質(zhì)量,故無需考慮氣體的純度,可以用排空氣集氣法來收集并測量氧氣的體積,這樣可以免去排水集氣法收集并測量反應(yīng)產(chǎn)生的02體積時,調(diào)節(jié)集氣筒和集液筒中液面高度的操作,從而簡化了實驗操作。

    (2)由于筆者曾經(jīng)使用并研究過玻璃注射器,了解其對壓力的感應(yīng)非常靈敏,且具有刻度準(zhǔn)確、氣密性良好等特點,因此將其與氣體發(fā)生裝置直接相連,不僅使反應(yīng)產(chǎn)生的氣體被自動收集到其中,義能較準(zhǔn)確地讀出氣體體積,從而使該實驗實現(xiàn)了一定程度的自動化,減少了人工操作步驟,大大地簡化了實驗操作。

    (3)為了縮短實驗操作的時間,我們還考慮連續(xù)實驗時所需解決的廢液和廢氣的排出問題。于是在反應(yīng)室底部設(shè)計了廢液出口,當(dāng)進(jìn)行下一次實驗時,只需打開止水夾將玻璃注射器活塞歸零,再關(guān)閉止水夾就能同時解決廢液和廢氣的排出問題。

    3.2 實驗裝置

    基于上述分析和思考,根據(jù)實驗原理,我們設(shè)計了如圖1所示的實驗裝置。

    圖示說明:

    ①支架(裝飾用鋁塑板粘合而成)

    ②20mL醫(yī)用玻璃注射器(用于收集并測量反應(yīng)產(chǎn)生的02體積。為了提高測量的精確度,用直尺測量注射器上兩個最小刻度[lmL]之間的距離,直尺顯示為3mm,于是打印了一張間距為Imm的短豎線紙條,用透明膠帶粘貼在玻璃注射器的對應(yīng)刻度上,從而將玻璃注射器的精確度提高到了0.33mL)

    ③注射用針頭帽(將注射用針頭的針管拔掉,用膠水將其粘在反應(yīng)室側(cè)壁上的孔中)

    ④SmL醫(yī)用塑料注射器(用于抽取并添加液體反應(yīng)物3%雙氧水)

    ⑤橡皮塞(用于封閉反應(yīng)室)

    ⑥反應(yīng)室(用半截20mL醫(yī)用塑料注射器制成,用作反應(yīng)容器,盛裝反應(yīng)的催化劑——塊狀或顆粒狀的二氧化錳)

    ⑦塊狀或顆粒狀二氧化錳(將二氧化錳粉末與熟石膏按3:1或2:1的體積比或質(zhì)量比混勻后加水調(diào)和晾干制成)

    ⑧廢液出口管及開關(guān)(用一段輸液管和止水夾組成)

    ⑨廢液收集容器(半截空藥瓶制成)

    3.3 實驗步驟

    3.3.1 檢查氣密性

    如圖1所示,打開廢液出口開關(guān),拉動SmL注射器活塞抽人_定量空氣,關(guān)閉廢液出口開關(guān),推、拉SmL注射器活塞,如果20mL注射器活塞移動的示數(shù)與SmL注射器相同,表明裝置氣密性良好,就可以用來做實驗了。否則應(yīng)用水將橡皮塞外沿和玻璃注射器內(nèi)壁潤濕后插回原位旋緊,然后重復(fù)上述操作,直至兩注射器活塞移動的示數(shù)相同為止。

    3.3.2 實驗操作

    (1)實驗準(zhǔn)備。取下反應(yīng)室口橡皮塞,加入適量二氧化錳顆粒,重新塞好橡皮塞;然后取下SmL注射器筒抽取4~5mL 3%標(biāo)準(zhǔn)濃度的雙氧水,插回原位。

    (2)制取并收集氧氣。打開廢液出口開關(guān),將20mL注射器活塞歸零,關(guān)閉廢液出口開關(guān),推動5mL注射器活塞,向反應(yīng)室中注入ImL 3%雙氧水標(biāo)準(zhǔn)溶液。在二氧化錳的催化作用下,雙氧水分解生成氧氣,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,玻璃注射器活塞在產(chǎn)生的氧氣形成的壓力下慢慢向外移動。待反應(yīng)室中不再產(chǎn)生氣泡,恢復(fù)至室溫,讀取收集到的氧氣的體積,同時從氣壓計中讀取此時的大氣壓和室溫,記錄在表1中。重復(fù)相同操作3~4次。將幾次實驗測得的氧氣體積的平均值減去加入的雙氧水的體積(因為加入的雙氧水排出的空氣也會進(jìn)入玻璃注射器)代人①式中,即可得出常溫下氧氣的摩爾質(zhì)量。

    4 精確度

    (32.82-32)÷32 x100%=2.5%

    亦即實驗的精確度為97.5%。

    5 誤差分析

    本實驗的誤差來自如下兩個方面:

    (1)雙氧水的密度是按l.Og/cm3進(jìn)行處理的,而實際上沒有這么大。(2)本實驗所用藥品為廣東恒健制藥有限公司生產(chǎn)的“恒健”牌過氧化氫溶液,標(biāo)簽上標(biāo)明“含過氧化氫(H202)2.5%~3.5%”,并不是我們所需要的標(biāo)準(zhǔn)3%的過氧化氫溶液。從實驗結(jié)果來看,測量值比實際值略偏大,說明該廠生產(chǎn)的并非標(biāo)準(zhǔn)濃度的過氧化氫溶液,用于科研工作的定量實驗中會產(chǎn)生一定誤差。

    6 實驗說明

    針對藥品所造成的實驗誤差,我們義買來其他廠家生產(chǎn)的不同品牌的標(biāo)識為3%的過氧化氫溶液進(jìn)行反復(fù)實驗,但測量結(jié)果仍然存在不同程度的誤差,有時偏高,有時偏低,而在中學(xué)化學(xué)實驗室義無法獲取3%的標(biāo)準(zhǔn)過氧化氫溶液,因此實驗只能到此為止。但這并不影響我們設(shè)計實驗的初衷,因為我們設(shè)計該實驗的目的,是旨在設(shè)計一個簡單的實驗裝置和利用一些現(xiàn)成的物品,提供一種在普通中學(xué)實驗室甚至日常生活中,均能輕松測量摩爾質(zhì)量的實驗方法,并達(dá)到高達(dá)97.5%的精確度,可以說實驗已經(jīng)獲得了成功。

    7 本實驗的優(yōu)點

    (1)使摩爾質(zhì)量的教學(xué)通過實驗從感性認(rèn)識逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇哉J(rèn)識,同時讓學(xué)生感受和體驗了科學(xué)研究的方法和過程。

    (2)充分利用玻璃注射器對壓力感應(yīng)靈敏、氣密性良好、刻度準(zhǔn)確的特點,使實驗實現(xiàn)了一定程度的自動化,大大簡化了實驗操作。

    (3)利用體積法來進(jìn)行測定,避免了質(zhì)量法中因稱量物質(zhì)的微小質(zhì)量而帶來的操作難度大、對稱量儀器精密度要求高、且要考慮稱量過程中因注射器體積變化空氣浮力對質(zhì)量的影響等不利因素,解決了不具備質(zhì)量法測定氧氣摩爾質(zhì)量實驗條件的普通中學(xué)的實驗設(shè)備問題。

    (4)利用初中化學(xué)中所學(xué)基本化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)讓實驗原理簡單,淺顯易懂,學(xué)生容易理解和接受。實驗所用物品均為學(xué)生所熟悉,使學(xué)生感受到生活中處處有化學(xué),創(chuàng)新就在身邊,從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。

    (5) 一瓶市售醫(yī)用3%雙氧水(lOOmL)售價為1元錢,而每次實驗只需3—4mL,實驗成本幾乎為零,且反應(yīng)產(chǎn)物為水和氧氣,環(huán)保無污染。

    (6)如果改變實驗原理,更換藥品后,用同樣的操作方法,還能測量其他氣體(如H2、C02、Cl2等氣體)的摩爾質(zhì)量。

    參考文獻(xiàn):

    [1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1(必修)[M]北京:人民教育出版社,2007

    [2] 1990年國際溫標(biāo)純水密度表.http:∥wenku.baiducom/view/39fc7f785 acfalc7aaOOccbc.html

    [3]過氧化氫濃度密度對照表.http://wenku.baidu.com/view/af4f8d46a8956bec0975e3be.html.

    [4]王發(fā)應(yīng).常溫下氣體摩爾體積的測定[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考,2012,(10):50~51

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