常温下体积法测定氧气摩尔质量的实验设计(化学教学2015年第5期）.doc

常温下体积法测定氧气摩尔质量的实验设计王发应罗显中 刘玲（金沙中学贵州金沙551800）摘要：为了使摩尔质量的教学从理性认识转变为感性认识，使学生通过实验真正地理解和掌握摩尔质量的概念及由来，我们充分利用玻璃注射器对压力反应灵敏、刻度准确、气密性良好等特点进行设计，使实验实现了一定程度的自动化（自动收集气体和自动调节装置内外的压力一致）。用过氧化氢溶液在二氧化锰的催化作用下产生氧气的化学反应原理，采用体积法从定量的角度测定氧气的摩尔质量，操作简单，实验成本低，便于推广，很好地实现了设计目的。关键词：摩尔质量的测定自动化操作简单容易推广一、问题的提出在学习摩尔质量一节时1，各种物质的摩尔质量的数值都是通过理论推导得出的，导致课堂教学显得枯燥无味，不便于学生掌握，增加了学生的学习负担。那么，能否通过实验来测定，将这一知识点的学习由理性认识转变为感性认识，从而降低学生学习的难度，实现有效教学甚至于高效教学呢？二、研究目的为了解决这一问题，我们通过网络，以“常温下氧气摩尔质量的测定”、“氧气摩尔质量的测定”、“摩尔质量的测定”等词条进行搜索，结果都没有找到所需的内容。为了解决上述问题，我们设计了如下实验。三、实验方法1、实验原理双氧水在二氧化锰的催化作用下分解生成氧气。通过网上查资料查到，标准状况（20，1atm）下，氧气的密度为1.43g/L，水的密度为0.998g/3。再将水的密度表3和过氧化氢浓度密度对照表2进行对比，发现在同一条件下，溶质的质量分数为1%5%的双氧水的密度与水的密度非常接近，特别是3%的双氧水与水的密度几乎相等，约为0.998g/3，为了方便数据处理，我们按1.0g/cm3进行计算。设常温常压下（实验时间为2014年10月16日下午17：3018:30，实验条件为：98.8KPa，16），氧气的摩尔质量为M（g/mol），当用1mL3%的双氧水（广东恒健制药有限公司生产的“恒健”牌过氧化氢溶液）来做实验时，完全反应后产生的氧气体积为V(mL)，则有：2H2O22H2OO2234 M1mL1.0g/mL3% VmL1.43g/L10-3L/mL3%M2341.4310-3VM=3.241V（g/mol）上式说明，只要测得1mL溶质的质量分数为3%的双氧水在常温常压下完全分解后产生的氧气体积V，即可计算出氧气的摩尔质量。但如何才能准确测定反应中所产生的O2的体积呢？通过常温下气体摩尔体积的测定4一文的研读，发现该方法可行，但文中所述实验方法是利用排水集气法收集并测量反应产生的O2体积，涉及到反应前后两次调节集气筒和集液筒中液面高度的操作，操作比较麻烦。为了简化实验操作，我们考虑到以下几个问题：（1）由于是通过测量体积而不是称质量来测定氧气的摩尔量，故无需考虑气体的纯度，则可以用排空气集气法来收集并测量氧气的体积，这样可以免去排水集气法收集并测量反应产生的O2体积中，调节集气筒和集液筒中液面高度的操作，从而简化实验操作；（2）由于笔者曾经使用并研究过玻璃注射器，非常了解其对压力的感应非常灵敏、刻度准确、而且气密性良好等特点，因此想到：如果将其与气体发生装置直接相连，则反应产生的气体会被自动收集到其中，又能较准确地读出气体体积，从而使该实验实现了一定程度的自动化，减少了人工操作步骤，进而能大大地简化实验操作；（3）为了缩短实验操作的时间，我们又还考虑连续实验中所需解决的废液和废气的排出问题。而在反应室底部设计废液出口，当进行下一次实验时，只需将玻璃注射器活塞归零，就能同时解决废液和废气的排出问题。2、实验装置（如图1所示）基于上述分析和思考，根据实验原理，我们设计了如图1所示的实验装置。图示说明：支架（用装饰用铝塑板粘合而成）20mL医用玻璃注射器（用于收集并测量反应产生的O2体积。为了提高测量的精确度，我们用直尺测量其上两个最小刻度1mL之间的距离，直尺显示为3mm，于是打印了一张间距为1mm的纸条，帖在玻璃注射器的对应刻度上，从而将玻璃注射器的精确度提高到了0.33mL）注射用针头帽（将注射用针头的针管拨掉，用胶水将其粘在反应室侧壁上的孔中）5mL医用塑料注射器（用于抽取并添加液体反应物3%双氧水）橡皮塞（用于封闭反应室）反应室（用半截20mL医用塑料注射器制成，用作盛装反应的催化剂块状或颗粒状的二氧化锰及反应容器）块状或颗粒状二氧化锰（将二氧化锰粉末与熟石膏按3：1或2：1的体积比混匀后加水调和晾干制成）废液出口管及开关（用一段输液管和止水夹组成）废液收集容器（半截空药瓶制成）3、实验步骤（1）检查气密性。如图1所示，打开废液出口开关，拉动5mL注射器活塞抽入一定量空气，关闭废液出口开关，推、拉5mL注射器活塞活塞，如果20mL注射器活塞移动的示数与5mL注射器相同，表明装置气密性良好，就可以用来做实验了。否则应用水将橡皮塞外沿和玻璃注射器内壁润湿后插回原位旋紧，然后重复上述操作，直至两注射器活塞移动的示数相同为止，才能进行实验。（2）实验操作实验准备。取下反应室口橡皮塞，加入适量二氧化锰颗粒，重新塞好橡皮塞；然后取下5mL注射器筒抽取45mL3%标准浓度的双氧水，插回原位。制取并收集氧气打开废液出口开关，将20mL注射器活塞归零，关闭废液出口开关，推动5mL注射器活塞，向反应室中注入1mL3%双氧水标准溶液。在二氧化锰的催化作用下，双氧水分解生成氧气，随着反应进行的的同时，玻璃注射器活塞在产生的氧气形成的压力下慢慢向外移动。待反应室中不再产生气泡，恢复至室温，读取收集到的氧气的体积，同时从气压计中读取此时的大气压和室温，记录在表一中。重复这一步操作三到四次。将几次实验测得的氧气体积的平均值减去加入的双氧水的体积（因为加入的双氧水排出的空气也会进入玻璃注射器）代入式中，即可得出常温下氧气的摩尔质量。表一实验数据记录及处理（实验条件：98.8KPa，16）实验次数1234大气压98.8kPa98.8kPa98.8kPa98.8kPa双氧水体积1mL1mL1mL1mL玻璃注射器示数11.2mL11.1mL11.1mL11.1mL氧气的体积10.2mL10.1mL10.1mL10.1mL氧气的平均体积10.125mL氧气的摩尔质量32.82（g/mol）四、精确度(32.82-32)32100%2.5%亦即实验的精确度为97.5%。五、误差分析本实验的误差来自如下两个方面：1、计算中双氧水的密度是按1.0g/cm-3进行处理的，而实际上没有这么大；2、本实验所用药品为广东恒健制药有限公司生产的“恒健”牌过氧化氢溶液，标签上标明“含过氧化氢（H2O2）2.53.5%”，并不是我们所需要的标准3%的过氧化氢溶液，从实验结果来看，测量值比实际值略偏大，说明该厂生产的并非标准浓度的过氧化氢溶液，并不适合用于科研工作中的定量实验。六、实验说明针对药品所造成的实验误差，我们又买来其他厂家生产的不同品牌的标识为3%的过氧化氢溶液进行反复实验，但测量结果仍然存在不同程度的误差，要么偏高，要么偏低，而在中学化学实验室又无法获取3%的标准过氧化氢溶液，因此实验只能到此为止。但这并不影响我们设计实验的初衷，因为我们设计该实验的目的，是旨在设计一个简单的实验装置和利用一些现成的物品，提供一种在普通中学实验室甚至日常生活中，均能轻松测量摩尔质量的实验方法，并达到高达97.5%的精确度，可说实验已经获得了成功。七、本实验的优点1、使摩尔质量的教学从理性认识转变为感性认识，同时让学生感受和体积了科学研究的方法；2、充分利用玻璃注射器对压力感应灵敏、气密性良好、刻度准确的特点，使实验实现了一定程度的自动化，大大简化了实验操作；3、利用体积法来进行测定，避免了质量法中因称量物质的微小质量而带来的操作难度大、对称量仪器精密度要求高，还要考虑称量过程中因注射器体积变化空气浮力对质量的影射等不利因素，解决了不具备质量法测定氧气摩尔量实验条件的普通中学的实验设备问题。4、利用初中化学中所学基本化学反应原理进行设计，实验原理简单，浅显易懂，学生容易理解和接受。而且实验所用物品均为学生熟悉的物品，使学生感受到生活中处处有化学，创新就在身边，从而激发学生的创新欲望，培养学生的创新意识和能力。5、一瓶市售医用3%双氧水（100mL)售价为1元钱，而每次实验只需3-4mL，实验成本几乎为零,且反应产物为水和氧气，环保无污染。6、通过独特的设计，为中学化学教学提供了一种实验方法，使摩尔质量的教学从理性认识转变为感性认识，转变了教学方式，提高了教学效果。如果改变实验原理，更换药品后，用同样的操作方法，还能测量其它气体(如H2、CO2、Cl2等气体)的摩尔质量。参考文献：1普通高级中学新课程标准实验教科书化学-必修1，人民教育出版社，2007（3）.2过氧化氢浓度密度对照表，/view/af4f8d46a8956bec0975e3be.html.3199