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常温下测量1 mol氢气体积实验装置设计的研讨李厚平上海市格致中学 200001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、系统可变因素一、 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：1 实验系统可变因素缺乏控制。2 所做实验的数据呈离散性（精密度较差）。3 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）。二、 问题分析1 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。2 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。3 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。三、 解决问题的方案提出1 控制实验系统可变因素。2 减小实测气体体积与理论氢气体积间误差。3 使用常规仪器、减少试剂用量，降低实验成本。四、 方案落实1 确定基本实验装置。2 确定基本操作步骤。3 实验数据的取得。4 对实验装置、操作步骤进行可行性分析。5 对实验装置、操作步骤的进一步改进及扩展思考。五、 方案实施过程1 基本实验装置（以下称本装置）：见下图1、图2。U型气压计针筒玻璃三通小烧杯试管三孔像皮塞温度计气压平衡开关刻度标尺水投料器冷却水稀硫酸 图1 实验装置 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、27120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8500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。2 基本操作步骤(1) 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。(2) 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。(3) 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。3 实验数据取得（1） 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27120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时间（分）034510154095带冷却装置温度()15.525.517.315.715.715.715.715.8不带冷却装置温度()15.525.824.423.320.919.817.116.3 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3时间（分）023510153045带冷却装置温度()26.032.229.527.726.526.426.126.1不带冷却装置温度()26.034.233.431.529.028.127.02.6.7 图4（2） 反应热对反应装置系统误差的影响操作步骤：在试管中加入5mL1mol/L H2SO4，按图1连接反应装置，将温度计插入溶液中，余同五、2.(2)，将试管放入装有26.0 水的小烧杯中,并使试管中溶液液面与小烧杯中水的液面平行，待温度计读数达到25.5时,拿去小烧杯,用针筒调节U型气压管左右液面至平衡，读取针筒内气体体积数。实测V气在1.22.0 mL之间。(仅指实验环境温度15.5时)据此推测仅反应热的产生将使系统增加4%以上的误差。(以30mL针筒计)（3） 带冷却反应装置与不带冷却反应装置实测气体体积比较：操作步骤：同五.2. 基本操作步骤,仅一组不加冷却水。实验数据如下： 不带冷却反应装置实测气体体积与理论氢气体积的比较 表4反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读数(mL)理论氢气体积(mL)误差（%）24.00.026027.125.964.4123.70.026527.626.434.4323.30.026527.626.414.57 表5反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读数(mL)理论氢气体积(mL)误差（%）25.60.034536.134.554.5225.20.034536.034.594.5025.70.034536.134.644.22带冷却反应装置实测气体体积与理论氢气体积的比较 表6反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读数(mL)理论氢气体积(mL)误差（%）24.10.026027.025.963.9923.70.026527.526.434.0523.30.026527.526.394.19表7反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读数(mL)理论氢气体积(mL)误差（%）17.00.036837.235.873.7017.30.036837.235.913.5917.80.036837.335.93.69(2) 反应装置内气体体积和温度的读数与时间的关系操作步骤：A组同五.2. 基本操作步骤，镁带质量取0.0260克。B组不加镁带，打开平衡开关，用针筒抽取27.8 mL空气，关闭平衡开关。实验数据如下：A组反应装置内气体体积和温度的读数与时间的关系(附理论氢气体积) 表8时间（分）01.56.511.520.531.560.590165装置内温度（）23.824.724.824.724.524.223.923.823.8气体体积读数027.827.227.12726.726.125.825理论氢气体积025.8625.8725.8625.8525.8225.7925.7925.79 图5B组反应装置内气体体积和温度的读数与时间的关系(附理论氢气体积) 表9时间（分）01.56.511.520.531.560.590165装置内温度（）23.823.823.823.823.823.823.823.823.8气体体积读数0.027.827.827.827.827.827.827.827.8理论氢气体积0.0025.8625.8725.8625.8525.8225.7925.7925.79 图64 对实验装置、操作步骤进行可行性分析。（1） 以五、1. 基本实验装置：图1、图2来看，本实验装置所用仪器均为一般实验室所用的常规仪器。（2） 操作步骤中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，和确定气体体积读数的时间，从而减小了由于氢气外溢所造成的气体体积读数的不确定性。（3） 据五、3.(2)及3.(1)中表2、表3、图3、图4分析，本实验装置中所加的冷却装置，在实验环境温度15.5 有一定的意义，当实验环境温度26.0 后，所加的冷却装置意义不大。即可省去五、2.基本操作步骤中的冷却部分，以简化实验装置和实验操作步骤。但总体讲，加冷却装置可以缩短读取气体体积数的时间。（4） 从五、3.(3)的表4表7中，我们可以根据不同的实验环境，得到以下几组数据：实验环境1下的相对偏差 表10装置内温度（）镁带质量（g）实测气体体积（mL）检出气体能力（mL/ g）相对偏差（）24.00.026027.11042.310.51123.70.026527.61041.51-0.25523.30.026527.61041.51-0.263平均值1041.780.343实验环境2下的相对偏差 表11装置内温度（）镁带质量（g）实测气体体积（mL）检出气体能力（mL/ g）相对偏差（）25.60.034536.11046.480.92425.20.034536.01043.48-1.84825.70.034536.11046.380.924平均值1045.411.232实验环境3下的相对偏差 表12装置内温度（）镁带质量（g）实测气体体积（mL）检出气体能力（mL/ g）相对偏差（）24.10.026027.01038.460.46623.70.026527.51037.74-0.23323.30.026527.51037.74-0.233平均值1037.980.311实验环境4下的相对偏差 表13 装置内温度（）镁带质量（g）实测气体体积（mL）检出气体能力（mL/ g）相对偏差（）17.00.036837.21010.87-0.89517.30.036837.21010.87-0.89517.80.036837.31013.591.791平均值1011.781.194检出气体能力：是指本装置在某一实验环境下每克镁带与过量稀硫酸反应后所能检测到的气体体积数（单位为mL/ g）。因此，可以利用本装置在不同的实验环境下测量多个这样的实验数据，通过计算来衡量其在总体实验环境下所测定的实验数据的平均相对偏差。公式如下：检出气体能力=实测气体体积（mL）镁带质量（g） 相对偏差=(平均检出气体能力-检出气体能力)平均检出气体能力1000由表9表13得出本装置在总体实验环境中的平均相对偏差为： 总体实验环境中的平均相对偏差=（实验环境1平均相对偏差+实验环境2平均 相对偏差+实验环境3平均相对偏差+实验环境4平均相对偏差）4 得：用本装置进行实验，在总体实验环境中的平均相对偏差为0.77 。因此，我们认为用本装置及五.2. 基本操作步骤进行实验时，在所得实验数据的精密度上是可行的（数据的离散性得到有效控制）。（5） 从五、3.(3)的表4表7中我们可以发现，实测气体体积与理论氢气体积仍然存有一定偏差，而且均为正偏差，即实测气体体积理论氢气体积。从五、3.(4)的表8和图5中我们又可以发现，实测气体体积的读数是随时间变化而逐步变小的，当实验环境温度为23.8时，90分钟左右的实测气体体积读数与理论氢气体积基本相同。从五、3.(4)的表9和图6中我们可以发现，反应装置内空气体积基本不随时间变化而变化。从而证实了上述关于反应热及氢气的生成导致实验装置内可变因素增大，使实测气体体积与理论氢气体积存在较大误差这一事实。因此，为了能够较真实地反映反应装置内实测氢气体积，必须对反应装置内实测气体体积读数进行修正，假设修正系数为k，那么：V实测氢气体积=V实测气体体积- kV实测气体体积（6） k值的确定：从五、3.(4)的表8得下表14与图7修正系数k与时间的关系 表14时间（分）01.56.511.520.531.560.590165装置内温度（）23.824.724.824.724.524.223.923.823.8气体体积读（mL）0.027.827.227.127.026.726.125.825.0理论氢气体（mL）0.0025.8625.8725.8625.8525.8225.7925.7925.79修正系数k0.0750 0.0514 0.0480 0.0445 0.0341 0.0120 0.0004 -0.0306 图7由图7可知，k值与时间的变化呈非线性关系，且其只代表某一实验环境下的k值与时间的变化的关系，但我们通过图7的k值与五、3.(3)表4表7总体实验环境下的误差值的比较中可以发现，k值的变化在某一时间段中是有一定范围的，即：在本装置化学反应结束后520分钟内，k值的变化范围为0.05140.0359之间。而在这一时间段读取数据，也符合一般学生实验要求（因为一个学生实验约为40分钟）。所以，从总体实验环境下考虑，实验环境温度15.026.0时，读取气体体积数在装置内化学反应结束后515分钟内，通过对表4表7和表14误差统计，平均误差为4.28%，因此k值取0.043是可信的。以五、3.(3)表4、表7为例，经k值修正后得下表： 表15反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读(mL)实测氢气体积 (mL)理论氢气体积(mL)实验误差（%）24.00.026027.125.9325.96-0.0823.70.026527.626.4126.43-0.0623.30.026527.626.3926.41-0.08 表16反应装置内温度()镁带质量(g)测量气体体积读数(mL)实测氢气体积 (mL)理论氢气体积(mL)实验误差（%）17.00.036837.235.6035.87-0.7617.30.036837.235.6035.91-0.8617.80.036837.335.7035.97-0.76从表15、表16中，我们可以看到：经k值修正后的实测氢气体积能够比较真实地反映理论氢气体积值，从而剔除了反应热及实验系统内的可变因素对实验结果影响的这一目的（数据的准确性得以实现）。另本装置无论从试剂用量（包含环保）、实验装置成本、实验操作技能要求上，都比较适合中学生所做的学生实验。5 对实验装置、操作步骤的进一步改进及扩展思考。（1） 当把本实验装置中温度计、U型气压计改接成温度传感器、压强传感器后，即可用多媒体进行该化学实验。(由我校2010届李辰意同学利用多媒体进行该化学实验的实验结果见附页1)（2） 对本实验装置我们专门研制了一台自动压强调节仪，使本实验操作中的手动抽气，改为自动抽气，同时控制了实验装置内的压强与外界压强在较小范围内波动，可进一步减少实验系统内的可变因素对实验结果影响。（实验装置见附页2，因限于篇幅自动压强调节仪原理恕不展开）（3） 关于本实验中的系统可变因素合理消除还有待于进一步探究，如：表14、图7中所示，对90分钟后的实验现象进行探究，对于消除系统可变因素，将显得更有意义，主要表现在：反应90分钟后，可以初步判定反应系统内的温度、压强与外界条件已达到平衡，据五、3.（4）A组实验延续显示:72小时后，外界和反应系统内的温度均为24.7时，气体体积读数仅为20.5mL，而这一过程正是在反应装置内呈负压情况下发生的！86小时后气体体积读数仍为20.5mL。（4） 关于本实验的有关数据处理,可利用EXCEL的预先设置进行计算,以提高计算效率。（5） 关于本实验装置中的一些技术处理及作用，限于篇幅不作展开，请见谅。（6） 关于针筒读数误差大的处理方法为：如果针筒中的气体体积估读数不易确定时,比如针筒读数为27.3 mL,你对这个0.3 mL的读数存有怀疑,那么可用针筒将0.3 mL气体重新打入反应装置中,这时候针筒读数为27 mL，而U型气压管右液面上升，然后用直尺量取U型气压管左液面与右液面间的差值h（单位），记录数据，