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标题 利用手持技术探究“气体摩尔体积实验”
范文 荣凤娜
摘要：针对教材上“气体摩尔体积实验”诸多不够完善的地方，利用手持技术进行了实验方案改进。经过层层探究，设计了一套简化且能提高测量准确度的实验装置，实验误差能控制在0.2%左右。实践表明，改进后的实验更易让学生动手去做。而本实验探究过程也是展示中学化学实验教学新模式的一种尝试。
关键词：气体摩尔体积测定；水的蒸气压；手持技术；实验改进
文章编号：1005–6629（2015）9–0048–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
“测定1mol气体的体积”是高中化学定量实验中的一个重要实验，但在科教版高中教材中的该实验设计[1]有诸多不完善的地方（见图1），如测定误差较大，操作需要进行两次抽气和一次加料，三次都要用到注射器，很容易出现漏气现象；再者，将该套装置中的量瓶装好液体（至满刻度）后倒出，精确地测量其体积，发现该量瓶存在2～5mL的体积误差。另有张集川、闵庶弘老师还撰文提出“该实验储液瓶（图1中的B）的设计和读数方法存在一个难以忽视的误差问题”，并提出了修改方案[2]。2014年末有孙黎颖、白立根老师撰文指出该实验方案“操作难而繁琐，实验可行性差并偏离学生的认知能力”[3]。另外，影响该实验准确度的因素还包括反应的热效应（计算时代入的是室温）、水的蒸气压（计算时没作考虑）以及一系列因操作复杂而引起的偶然误差等等。因此我们希望通过引入手持技术，设计新的方案，将上述影响因素能够较好地规避，以提高测定气体摩尔体积实验的准确性，优化我们的高中化学实验教学。
1 实验原理
本实验用镁带制备氢气：
Mg（s）+H2SO4（aq）=MgSO4（aq）+H2（g）
以该反应式为基础，通过称量参与反应的镁带质量，推算出产生氢气的物质的量的理论值；再通过实验测得气体产物（氢气）的相关数据（温度、压强）进行计算求得氢气摩尔体积的实验值，最后与理论值进行比较。
2 实验仪器及试剂
（1）实验仪器。气体压强、温度传感器（双孔橡皮塞中分别安置一个温度探头和压强传感器探头），Vernier数据采集器（采集各个时刻的温度和压强），计算机（配备Vernier程序、可进行数据计算），675mL双层隔热圆底烧瓶（定制，为隔热将内外两层玻璃中间抽真空），注射器，天平，砂纸，烧杯，蒸馏水
（2）实验试剂。2 mol/L稀硫酸、镁带
3 实验装置
实验装置见图2。
4 实验操作步骤
（1）将气体压强、温度传感器固定在一个双孔橡皮塞上，按照图2实验装置连接好各仪器，检验气密性，再将探头导线与数据采集器、计算机相连。
（2）取一条镁带，用砂纸磨去表面的氧化物，称量镁带质量（调整到约0.020～0.040克之间）并记录质量。
（3）镁带上蘸取少量水，将其粘附在烧瓶内壁。

（4）将配有温度、压强传感器的双孔橡皮塞塞紧烧瓶。
（5）用针筒吸取过量稀硫酸，记录体积（如15mL）。
（6）将装有稀硫酸的针筒口与活塞一端连接好（见图2）。
（7）打开数据采集器，开始记录数据，数据图像稳定后，打开活塞阀门，缓缓地注入全部稀硫酸，再关闭阀门。
（8）待容器内温度、压强稳定后，轻轻摇动烧瓶，让镁条和稀硫酸充分接触反应。
（9）反应结束，记录最高压强和相对应时刻的温度。
5 数据分析与处理

在实验采集过程中，我们可以得到反应压强最高点的数值（见图3中的曲线和相关数据），即P（max）。其中包含了反应生成的氢气、水蒸气以及原先烧瓶中所留空气的那部分压强。根据道尔顿分压定律，我们用P（max）减去一开始酸注入后稳定的压强值P初，以及在压强最高点时温度所对应的水的饱和蒸气压值，即可得ΔP的真正数值。

说明：手持技术中的压强和温度读数可精确到小数点后9位，水的蒸气压查表数据可得小数点后五位。具体计算时利用计算器ANS功能，连步计算，尽可能减少数字累积误差。
6 实验创新的展现
6.1 在实验探究进程中，展现创新点
上述图2的创新实验装置及方案设计并不是一步到位的，其间带领学生研究小组经历了一个反复摸索、探究的过程。该探究过程可以说是中学化学实验教学新模式的一种尝试。
当初第一次作实验方案改进时，参考了国外的手持技术实验装置[4]（见图4），使用了锥形瓶和普通水浴，测外界水浴温度和锥形瓶内压强，此方案的实验装置及测试原理颇有新意，取材方便，操作也简单，让学生动手做完全有可行性，故得到较广泛好评。但由于该方案中温度探头所测位置在外侧，导致温度不一，因此测量的准确性仍不理想，实验误差在5%左右。

第二次设计改用了大试管和冰水浴（见图5），试图将反应装置内的温度控制在0℃，但结果依旧差强人意，甚至实验时，会造成试管爆裂。

第三次设计使用了圆底烧瓶和由教师指导并自主设计的气体压强、温度传感器装置，直接可测得反应仪器内的温度、压强（见图6），该方案的实验装置更简易，取材也方便，操作更容易。该方案也受到同行的赞许，并被一些学校用于演示实验。但由于该方案隔热效果差，误差更大（约在10%左右）。


最后即第四次设计，我们将普通的圆底烧瓶换成了自己设计的双层隔热圆底烧瓶，两层中间抽真空，杜绝外界温度影响（原理如热水瓶瓶胆），能将实验误差维持在0.2%左右，使实验测试的准确度得到较大提高（装置见图2）。
6.2 通过实验总结，展现创新点
6.2.1 利用手持技术进行试验，将手持技术引入中学化学课堂教学
手持技术在我国发展的时间较短，约在20世纪90年代进入我国。在欧美等国家，将手持技术用于教学已经有30多年历史。与之相比，国内的研究仍处于薄弱局面。
中学化学实验经过改进和完善，大多数实验现象明显，但也有一些实验存在现象不明显、耗时长、有一定危险性。而传感技术具有直观化、简易化、定量化、探究性等优点，使得实验现象更加明显，操作更为简便，更加安全环保。
6.2.2 由教师指导并自主设计的气体压强、温度传感装置
将原本分离的两个传感器结合在了一起，避免了外置温度传感器导致的温度误差。使用精确度较高的水银温度计和物理实验室测压强的装置对我们使用的气体压强、温度传感器进行了仪器校准，使手持仪器基本没有误差，从而提高了实验的准确度。
6.2.3由师生共同设计的双层隔热装置
使用该装置，减少了反应器内外进行热交换导致的温度误差，使测试更精准。
6.2.4 实验公式的选择
我们在实验过程中使用了克拉伯龙方程PV=nRT，但发现实验时测得气体的体积还包括了水蒸气、空气等，故并不适合用总压直接计算，而是应该通过由道尔顿分压定律求得的ΔP（压强改变量）来进行计算。
7 实验感悟
实验过程中，我们逐步地尽量排除所有外界干扰，减小实验误差。考虑到了反应过程中的水蒸气压，温度的热交换等影响因素；排除了酸的纯度以及多次抽气导致的误差；降低了实验操作的复杂性；修正了计算公式，提高了实验数据计算的准确性。本实验中手持技术的引入，使我们的化学实验变得便利，且直观、清晰、有效。当然，在整个实验过程中，还存有许多值得我们反思的地方，例如在一开始计算压强的时候，学生并没有考虑到水的饱和蒸气压的问题，等到进行文献检索的时候，才发现应该注意水的蒸气压。并且起初的气体压强温度传感器并非是一个整体的装置，而是外置的温度探头和一个内置的压强传感器。在多次实验失败后，在师生的共同努力下，实验小组的学生才有创新的发现：压强、温度传感器可以融为一体。
与此同时，在此次实验课题研究过程中，学生明显感受到自己的动手能力提高了，还提升了发散思维的意识和创新意识。原来的化学实验对学生而言，是书本知识的一种具体体现，即使让学生自己动手去做实验，学生也只是简单按照书本上的步骤按部就班地做实验，而这个“利用手持技术提高‘气体摩尔体积实验准确性”课题研究实验，却是一个由点及面逐步发散的过程，学生经历了从普通的现象中发现问题，共同讨论解决问题的方法，再自己动手做实验解决问题。在这个过程中，学生的动手能力实实在在得到了训练，思维更为发散，考虑问题的严谨性明显提高，创新意识获得提升。
8 展望
利用该套实验装置，还可测定其他气体（例如二氧化碳等）的气体摩尔体积，并进行相关的比较、探究。还可尝试运用微积分的计算方法对实验数据进行处理，进一步减小误差。若有可能，还可推荐该套实验装置让工厂来开发和生产相关仪器，使其能被中学教学广泛采纳，优化中学化学实验教学。
参考文献：
[1]姚子鹏主编.高中化学教科书·高二化学（第一学期）[M].上海：上海科学技术出版社，2009：47～51.
[2]张集川，闵庶弘.“测定1mol气体的体积”实验方法及装置的改进[J].化学教学，2008，（8）：13.
[3]孙黎颖，白立根.“测定1mol气体的体积”实验教学案例的中英比较[J].化学教学，2014，（12）：60.
[4] Antony Wilbraham，Dennis Staley，Michael Matta，Edward Waterman. PRENTICE HALL Chemistry [M]. The Prentice-Hall，Inc. 2005.
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更新时间：2024/12/23 9:12:15