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        對教材中摩爾氣體常數(shù)測定實(shí)驗原理誤解的更正

        2010-07-02 00:34:25林源為遲瑛楠
        大學(xué)化學(xué) 2010年3期
        關(guān)鍵詞:理想氣體高等教育出版社水蒸氣

        林源為 遲瑛楠

        (北京理工大學(xué)理學(xué)院 北京100081)

        對教材中摩爾氣體常數(shù)測定實(shí)驗原理誤解的更正

        林源為 遲瑛楠*

        (北京理工大學(xué)理學(xué)院 北京100081)

        摩爾氣體常數(shù)的測定是高等院校無機(jī)化學(xué)課程中的一個重要實(shí)驗。然而,現(xiàn)行實(shí)驗教材對該實(shí)驗的實(shí)驗原理分析中卻出現(xiàn)了兩處誤解,即沒有正確理解實(shí)驗中有關(guān)理想氣體狀態(tài)方程式和道爾頓分壓定律的應(yīng)用。本文對這兩處誤解進(jìn)行了分析和解釋。

        摩爾氣體常數(shù)(R)的測定是高等院校無機(jī)化學(xué)課程中的一個重要實(shí)驗,在實(shí)驗教學(xué)過程中普遍被采納。本實(shí)驗的目的是通過實(shí)驗設(shè)計和操作,加深對理想氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律的理解。

        目前,實(shí)驗教材都是采用置換法來測定摩爾氣體常數(shù)R,即采用圖1所示裝置,使用定量的鎂條與稀硫酸反應(yīng)置換出氫氣,通過測量反應(yīng)前后量氣筒內(nèi)氣體體積變化,結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和道爾頓分壓定律,進(jìn)而計算出R的數(shù)值。理想氣體狀態(tài)方程式和道爾頓分壓定律為該實(shí)驗原理的核心。雖然現(xiàn)行教材中最終運(yùn)用正確的數(shù)據(jù)處理方法求出了R值,但是關(guān)于為何采用這樣數(shù)據(jù)處理方法沒有給出正確合理的解釋[1-5]。我們認(rèn)為現(xiàn)行實(shí)驗教材在該實(shí)驗原理理解方面出現(xiàn)了兩處誤解。由于此類錯誤隱蔽性很強(qiáng),因而很難引起教學(xué)工作者的注意。

        圖1 摩爾氣體常數(shù)測定裝置

        1 教材中對實(shí)驗原理的大致敘述

        在教材中,對于摩爾氣體常數(shù)測定實(shí)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(zhǔn)確稱取一定質(zhì)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(shù)之差測得被置換出來的氫氣的體積,而氫氣的物質(zhì)的量可通過鎂條的質(zhì)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(shí)驗溫度下水的飽和蒸氣壓,則根據(jù)分壓定律,氫氣的分壓可由下式求得:

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

        2 更正分析

        圖2 反應(yīng)前后體積變化示意圖

        (1)先分析第一處誤解?,F(xiàn)行教材普遍認(rèn)為發(fā)生置換反應(yīng)前后量氣管內(nèi)的體積之差為生成的氫氣體積。但事實(shí)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(dāng)達(dá)到飽和蒸氣壓且有液態(tài)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(yīng)發(fā)生前后量氣管內(nèi)氣體體積的變化。具體到該實(shí)驗,置換產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)發(fā)生前,量氣管的讀數(shù)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(chǎn)生氫氣的反應(yīng)發(fā)生后,量氣管的讀數(shù) 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(xiàn)行教材的第二處錯誤出現(xiàn)在對混合氣體體系下的理想氣體狀態(tài)方程式的使用方面。教材中認(rèn)為對于氫氣和水蒸氣的混合體系存在piVi=niRT,根據(jù)道爾頓分壓定律應(yīng)該有piV總=niRT或者p總Vi=niRT(其中下標(biāo)i的物理量表示混合氣體體系中i組分氣體的對應(yīng)物理量,下標(biāo)為“總”的物理量表示整個混合氣體體系所對應(yīng)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(dǎo),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(jié)論

        筆者認(rèn)為,在有關(guān)教材再版時應(yīng)該更正這兩處誤解,用正確的實(shí)驗原理來支持實(shí)驗的數(shù)據(jù)處理和計算。即在實(shí)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(tài)方程式進(jìn)行合理表述。

        [1] 徐偉亮.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗.北京:科學(xué)出版社,2005

        [2] 徐家寧,門瑞芝,張寒琦.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(上冊)無機(jī)化學(xué)和化學(xué)分析實(shí)驗.北京:高等教育出版社,2006

        [3] 中山大學(xué),遼寧大學(xué),北京大學(xué),等.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗.第3版.北京:高等教育出版社,1992

        [4] 大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗.第2版.北京:高等教育出版社,2004

        [5] 朱湛,傅引霞.無機(jī)化學(xué)實(shí)驗.北京:北京理工大學(xué)出版社,2007

        [6] 宋天佑,程鵬,王杏喬.無機(jī)化學(xué)(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(xué)原理與應(yīng)用.第8版(影印版).北京:高等教育出版社,2004

        * 通訊聯(lián)系人,E-mail:cyn7887@yahoo.com.cn

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