常温下测量1mol氢气体积实验装置设计的研讨(一)

摘  要   常温下测量1mol氢气体积的实验原理为：Mg + H2SO4                     MgSO4  + H2  ， 而常见的实验装置归纳起来有二种：一种为用量气管直接读取反应所产生氢气体积数，另一种是用量筒来读取反应产生的氢气所排出水的体积数，再换算成氢气体积数。在这些实验中我们发现，实验误差都比较大，其主要原因是该实验的化学反应是一个放热反应，所产生气体又是一种极易逸散的氢气。针对以上问题，我们对常温下测量1mol/L氢气体积的实验装置和实验操作步骤进行了设计和探究。
关键词   精密度、反应热、系统可变因素

主要问题
 常温下测量1mol氢气体积的实验原理为：Mg + H2SO4                     MgSO4  + H2  ， 而常见的实验装置归纳起来有二种：一种为用量气管直接读取反应所产生氢气体积数，另一种是用量筒来读取反应产生的氢气所排出水的体积数，再换算成氢气体积数。在这些实验中我们发现主要存在以下问题：
实验系统可变因素缺乏控制。
所做实验的数据呈离散性（精密度较差）。
实测气体体积与理论氢气体积相比较存在较大误差（准确度差）。
问题分析
实验系统可变因素缺乏控制，表现在：
（1）实验反应机理上：
  Mg + H2SO4                            MgSO4  + H2 
在实验中可理解为:                                              表1
反应前实验装置内状态:                     反应后实验装置内状态:
Mg、H2SO4溶液及饱和蒸压、V水汽1、        MgSO4与H2SO4混合溶液及饱和蒸压、P1、T1 、V空气1                        V空气2 、P2、T2、H2、V水汽2
 反应过程中实验装置内：
   T2＞ T1     V空气2 ＞V空气1      V水汽2 ＞V水汽1       
           
 所以说实验所测得的气体体积读数，实际上是混合气体体积的读数（以下同）。
 （2）反应热的控制上：
 由于每个实验所用的镁带质量存有一定的差异，通过反应热，最终由T2、V空气2、V水汽2、混合溶液体积及混合溶液的饱和蒸压体积，表现出实验结果的差异性。
 （3）实验装置的气密性上：
    由于氢气是一种极易逸散的气体，对于用橡皮塞、乳胶管连接的实验装置中存放氢气而做到氢气不外溢是很难的，特别是在实验装置内压强大于实验环境大气压的情况下做到氢气不外溢就更难。且实验装置内压强越大氢气外溢速度就越快。
所做实验的数据呈离散性（精密度较差）产生原因：
 由二、1.(1)～(3)可知实验系统可变因素未能有效控制是实验的数据呈离散性的主要原因。
实测气体体积与理论氢气体积相比较存在较大误差产生原因：
 除与上述二、1.2.有关外，还与分析天平称量的准确性、镁带的纯度、实验环境等因素有关。
解决问题的方案提出
控制实验系统可变因素。
减小实测气体体积与理论氢气体积间误差。
使用常规仪器、减少试剂用量，降低实验成本。
方案落实
确定基本实验装置。
确定基本操作步骤。
实验数据的取得。
对实验装置、操作步骤进行可行性分析。
对实验装置、操作步骤的进一步改进及扩展思考。
方案实施过程
基本实验装置（以下称本装置）：见下图1、图2。

  实验仪器及试剂：30mL塑料（或50mL玻璃）针筒一个、500mL烧杯一个、27×120㎜试管一根（附三孔橡皮塞）、1/10000分析天平一台、U型气压管一个（可用二根8×500㎜的玻璃管，底下用乳胶管连通来替代）、10mL量筒一个、温度计一支、小旋塞开关一个、玻璃三通一个、自制投料器一个、乳胶管、铁架台一个（附铁夹三副）、镁带、1mol*L-1 H2SO4 溶液、直尺。
基本操作步骤
如图2用铁架台和铁夹固定好试管、针筒、U型气压管，在试管和250mL烧杯中分别加入5mL1mol*L-1 H2SO4 溶液和适量冷却水，称取0.025克镁带并加入投料器中。
打开大气平衡开关，连接实验装置，用针筒抽取1mL空气，关闭大气平衡开关，将针筒内的少量空气打入实验装置中，U型气压管右面水柱升高，以此用来检查实验装置气密性。如果实验装置气密性良好即可进行实验。首先打开大气平衡开关，U型气压管左右液面平衡，关闭大气平衡开关。
将投料器中的镁带投入1mol/L H2SO4中。反应开始后，U型气压管右面水柱升高，这时用针筒缓缓抽取试管中产生的气体，使U型气压管左右液面保持相对平衡直到反应结束后5分钟，用针筒调节U型气压管左右液面保持平衡，记录装置内温度和针筒中的气体体积，再根据现场的大气压强，计算实测气体体积与理论氢气体积间的误差。
实验数据取得
实验装置加冷却与不加冷却装置内溶液温度变化与时间的关系。
操作步骤：在二根27×120㎜试管各加入5mL1mol/L H2SO4 ，在溶液中各插入一根温度计，其中一根试管放入装有与室温相同冷却水的小烧杯中，一根放在空气中，然后分别在二根试管中加入0.0350克镁带，记录时间与温度变化情况。数据和变化情况见表2和图3。
 带冷却反应装置与不带冷却反应装置内，溶液的温度与时间的变化关系
 表2

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