常溫下體積法測定氧氣摩爾質(zhì)量的實驗設(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