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      基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)的理想氣體常數(shù)的測(cè)定

      2017-08-24 02:49:08馬善恒夏建華
      化學(xué)教與學(xué) 2017年8期
      關(guān)鍵詞:溫度傳感器

      馬善恒+夏建華

      摘要:傳統(tǒng)測(cè)定理想氣體常數(shù)的方法存在誤差較大、不易操作、直觀性差等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)使用溫度傳感器、壓力傳感器,測(cè)定出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)完全升華后的動(dòng)態(tài)的壓強(qiáng)和溫度變化曲線,在軟件中輸入相關(guān)函數(shù),可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù),并能明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的這一特點(diǎn)。

      關(guān)鍵詞:理想氣體常數(shù);數(shù)據(jù)采集器;溫度傳感器;氣壓傳感器

      文章編號(hào):1008-0546(2017)08-0087-01 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

      doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.030

      一、問題提出

      傳統(tǒng)測(cè)定理想氣體常數(shù)的裝置圖如下[1-5],根據(jù)公式R=PV/nT,利用Mg+H2SO4MgSO4+H2↑,稱取Mg的質(zhì)量計(jì)算出氫氣的物質(zhì)的量n,P為大氣壓,溫度為常溫下。

      該實(shí)驗(yàn)可以粗略測(cè)定出理想氣體常數(shù),但尚存在以下三個(gè)問題:

      ①實(shí)驗(yàn)中水蒸氣會(huì)造成一定的誤差;

      ②鎂條不純或表面被氧化會(huì)帶來一定的誤差;

      ③該實(shí)驗(yàn)不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。

      二、數(shù)字實(shí)驗(yàn)下理想氣體常數(shù)的測(cè)定

      1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

      運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)測(cè)定理想氣體常數(shù)

      2. 實(shí)驗(yàn)原理

      PV=nRT

      R = PV/nT =PVM/mT

      P運(yùn)用壓力傳感器可以直接測(cè)出

      V運(yùn)用排水法可以測(cè)出容器體積

      T運(yùn)用溫度傳感器可以直接測(cè)出

      m運(yùn)用質(zhì)量差測(cè)出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)的質(zhì)量

      碘單質(zhì)在45℃時(shí)升華已比較明顯,筆者在三頸瓶?jī)?nèi)放入過量的碘單質(zhì),并將三頸瓶完全浸入在水槽中的熱水浴內(nèi)(水溫在90℃左右),利用碘單質(zhì)的升華趕盡三頸瓶?jī)?nèi)的空氣,排出的空氣及碘蒸汽通入氫氧化鈉溶液中。待裝置內(nèi)碘單質(zhì)完全升華,關(guān)閉止水夾,測(cè)定出此時(shí)裝置內(nèi)溫度及氣壓變化曲線,利用裝置質(zhì)量差計(jì)算出此時(shí)裝置內(nèi)的碘單質(zhì)含量,在配套軟件上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

      3. 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

      電腦(裝有威尼爾配套軟件)、數(shù)據(jù)采集器、壓力傳感器、溫度傳感器、水槽;碘單質(zhì)、90℃左右的熱水。

      4. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

      5. 實(shí)驗(yàn)步驟

      (1)如圖2所示連接,三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器,導(dǎo)管插入到1mol/L氫氧化鈉溶液中,打開電腦軟件。

      (2)稱三頸瓶的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為354.792g。打開瓶塞,向其中加入約10g的碘單質(zhì),如裝置圖連接好。

      (3)打開止水夾,將三頸瓶整體沒入熱水?。囟燃s90℃)中加熱,加熱至三頸瓶底部沒有碘單質(zhì)固體為止,關(guān)閉止水夾,點(diǎn)擊軟件上的“采集”按鈕,移開酒精燈,采集約1min。點(diǎn)擊“停止采集”按鈕。

      (4)待三頸瓶冷卻至室溫,稱此時(shí)三頸瓶的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為352.602g,即三頸瓶?jī)?nèi)此時(shí)含有碘單質(zhì)的質(zhì)量為2.190g。

      (5)點(diǎn)擊軟件“數(shù)據(jù)”欄中的“新計(jì)算欄”,在“參數(shù)”欄中輸入“體積=0.251L”、“質(zhì)量=2.190g”、“碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量=254.000g/mol”。在“公式”欄中輸入“(碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量?鄢體積?鄢”壓力”)/(“溫度”?鄢質(zhì)量)”,勾選“在實(shí)時(shí)讀數(shù)時(shí)顯示”,點(diǎn)擊“完成”。

      (6)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

      從圖3中可以看出,熱力學(xué)常數(shù)并不受溫度和壓力同時(shí)變化的影響,測(cè)出數(shù)據(jù)約為8.30kPa·L·mol-1·K-1,準(zhǔn)確度達(dá)99.83%。

      三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

      傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行理想氣體常數(shù)測(cè)定時(shí),存在誤差大,不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)利用碘蒸汽升華排出裝置內(nèi)的空氣,有效地減少了誤差。其次,本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,測(cè)定出溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)后,直接在威尼爾軟件中設(shè)置一下即可得出結(jié)果。

      參考文獻(xiàn)

      [1] 上?;W(xué)院無機(jī)化學(xué)教研組. 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn) [M]. 北京:人民教育出版社,1979:30-32

      [2] 周寧懷. 微型無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2000:24-27

      [3] 于濤. 微型無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:33-34

      [4] 吳江. 大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn) [M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:132-134

      [5] 韓莉,等.關(guān)于“理想氣體常數(shù)R的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)原理的討論[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2007(8):27-29

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