理想气体定律

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 测定未知液体的质量展开

   根据理想气体定律，在给定的压力、温度和体积下，该体积内气体的物质的量始终相同。在本实验中，你将利用这一关系来计算一种未知液体的摩尔质量。你将把装有未知液体的杜马管浸入沸水中，使溶剂汽化。等待数分钟，使蒸气与周围环境达到平衡后，让蒸气冷凝，然后测量管内液体的质量。摩尔质量不随物相变化，因此冷凝后液体的质量与蒸气的质量相同。

   未知液体具有挥发性、毒性，且可能易燃，因此实验需在通风橱中进行。教师将为你向杜马管中加入指定的未知液体。操作时，务必使杜马管管口始终朝向无人方向。本实验部分使用本生灯加热水至沸腾。实验过程中请注意将衣袖、头发以及未知液体远离火焰，并在接触热液体、玻璃器皿和金属时格外小心。

   • 实验开始前，穿上实验服，戴上护目镜和两副丁腈手套。 注意： 丙酮和未知液体可迅速穿透丁腈手套，因此若接触这些液体，应立即更换新手套。旧手套应在通风橱中晾干后，再丢弃。
   • 将一段乳胶管的一端连接到本生灯的带刺进气口，另一端连接到通风橱中的气体喷嘴。确认本生灯底部的空气调节环已关闭。
   • 将本生灯置于实验架底座上，在本生灯上方的实验架上安装一个铁圈装置，并调节铁圈位置，使其居中位于火焰上方2英寸处。拧紧夹具以固定铁圈位置。将一块石棉网放在铁圈上，形成一个平台。
   • 然后，用三叉夹将一个500 mL锥形瓶固定在平台上。在三叉夹上方固定一个温度计夹，并将其旋转至远离锥形瓶的一侧。
   • 夹子固定到位后，取下锥形瓶。向瓶中加入数粒沸石，并用去离子水加至500 mL刻度线。
   • 用去离子水填充一个400 mL烧杯。将装满的烧瓶重新用夹子固定在金属丝平台上。
   • 取数张纸巾，将其中一张纸巾撕成条状，纸条宽度约等于杜马斯管细长管颈的长度。 注意： 点燃本生灯前，将纸巾移开。
   • 确保火石打火器触手可及。然后打开燃气喷嘴，将打火器的打火端靠近本生灯顶部，迅速挤压可动把手产生火花，从而点燃燃气。
   • 点燃火焰后，调节枪管底部的风门以增加进气量，从而使火焰温度升高。调节燃气阀门，将火焰高度增至约4至6英寸。 注意： 使用本生灯时，必须有一名学生留在实验台旁。
   • 将杜马斯管放入一个洁净的100 mL烧杯中，并置于分析天平上。
   • 将250 mL塑料烧杯去皮。用实验室擦拭纸清除试管整个表面的灰尘和油渍。
   • 将洁净的试管用新的实验室擦拭纸夹住，小心放入塑料烧杯中。在实验记录本上记录空杜马斯管的质量。

     表1：未知液体的摩尔质量

     试验	质量杜马斯管 + 未知	质量空杜马斯管	质量未知
     1
     2
     3
     4
     平均质量未知
     标准差

     压力（hPa）
     温度（ºC）
     温度（K）
     质量装有水的试管 (g)
     质量水 (g)
     密度水 （克/立方厘米）3)	1
     体积气体 厘米3)
     痣气体 (n)
     摩尔质量未知 （克/摩尔）
     百分误差 (%)
     理论 R（hPa·cm）3/mol·K)	8.314 × 104
     计算的 R（hPa·cm3/mol·K)
     理论R值与计算R值之间的差异

     点击此处下载表1
   • 使用实验室擦拭纸将试管放回100 mL烧杯中。
   • 当教师呼叫你时，将装有杜马斯管的烧杯带到指定的加液通风橱，由教师向管内加入少量未知样品。
   • 用纸巾包裹杜马斯管的管颈，以帮助维持恒定温度。
   • 当锥形瓶中的水沸腾后，将杜马斯管固定在温度计夹上。小心旋转夹子，使杜马斯管与锥形瓶瓶口对齐，然后缓慢降低夹子，直至杜马斯管主体完全浸入沸水中。 注意： 不要触碰烧瓶。
   • 将杜马斯管就位后，固定温度计夹，并记录时间。
   • 现在，等待你的未知液体汽化，这应该需要 3 – 5 分钟。 注意： 每当烧瓶中的水位下降时，及时补充水至满。
   • 当观察到管内无可见液体时，记录时间，并继续等待3分钟，使蒸气温度和压力与周围环境达到平衡。
   • 将温度计夹升高，使杜马斯管从沸水中取出。旋转夹子使其远离烧瓶，以便试管在室温空气中冷却。
   • 2–3 分钟后，用纸巾小心擦干管子外壁。 注意： 水滴可能仍然很热。
   • 等待试管冷却至室温，使蒸气完全冷凝。冷却后，将试管从夹具上取下，并擦干试管表面残留的水迹，然后放入100 mL烧杯中。 注意： 残留的水会增加质量。
   • 将烧杯移至天平处，用实验室擦拭纸清洁管子外壁，称量质量，并在实验记录本中记录为试验后一质量。
   • 以相同方式再进行三次试验。每次试验后，通过从试验后的质量中减去空杜马管的质量，计算剩余未知物的质量。
   • 完成第四次试验后，关闭燃气以熄灭本生灯。等待5分钟后，再从铁架台上拆下铁环、石棉网和本生灯。
2. 测定杜马斯管的体积扩展
   • 用去离子水装满一个400 mL烧杯，并准备几张纸巾。
   • 测量水的温度，并在实验记录本中记录温度。
   • 在教师操作台的通风橱中，用烧杯中的水填充一支20 mL注射器，并在注射器上连接一根针头。
   • 小心地将针头插入杜马斯管，并将水推入管中。 注意： 避免产生气泡，因为所有空气最终都必须从管中完全排除。
   • 注射器排空后，取下针头，用蒸馏水重新填充注射器，重新连接至杜马斯管，将水注入管内。重复此步骤，直至杜马斯管完全充满，无可见气泡。
   • 彻底干燥杜马斯管的外壁。然后称量装满水的杜马斯管，减去空管的质量，得到水的质量。
   • 从实验室气压计记录室内气压。
   • 将布氏烧瓶的带凸起侧臂通过硅胶管连接至真空泵或中央真空系统。
   • 将抽滤瓶垂直固定在通风橱中。在布氏烧瓶口插入带有导管接头的单孔塞，并将一段乳胶管的一端套在接头上。将乳胶管的另一端套在杜马斯管的长端上。
   • 使用温度计夹将杜马斯管倒置，然后打开真空管路，使水迅速排入抽滤瓶中。当杜马斯管排空后，关闭真空管路，并将抽滤瓶和杜马斯管打开通入空气。
   • 将杜马斯管放回100 mL烧杯中，并小心地交给指导教师，由其向管内加入1 mL丙酮。
   • 振荡试管，直至试管内所有水滴均与丙酮混合且管壁内部看起来干燥。将干燥的试管交还给指导教师。 注意： 如果管中仍有液体可见，将管子倒置在空烧杯上方，直至丙酮挥发或滴出。
   • 拆卸真空抽滤装置，并将受有机物和有机卤化物污染的废弃物放入相应的废液容器中。将剩余的去离子水倒入下水道，并按照实验室标准操作程序清洗玻璃器皿。
3. 结果展开
   • 测定未知化合物的摩尔质量。首先利用理想气体定律计算蒸气的物质的量。 注意当管内的蒸气与其周围环境达到平衡时，其压力与室温相同，温度与沸水相同。
   • 对于体积，确定填充杜马管的水的质量。 注意： 水的密度约为 1 g/cm³.
   • 选择与所用单位最接近的理想气体常数数值，并转换任何不匹配的单位，例如温度。
   • 根据给定条件计算气体的物质的量。
   • 根据四次试验结果计算未知物的平均质量。
   • 计算标准偏差以评估实验结果的一致性。将平均质量除以计算得到的物质的量，以确定未知物的近似摩尔质量。
   • 将该数值与三种未知物候选物质的摩尔质量进行比较——三氯乙烯、1,2-二氯乙烷和2-溴丙烷。
   • 确定摩尔质量最接近的候选物质，并计算百分误差。 注意： 气体在大气压下通常表现出接近理想气体的行为，因此实验结果应与文献值相差在10%以内。
   • 现在，根据已知化合物的实际摩尔质量，从平均质量重新计算物质的量（摩尔数）。使用与之前相同的压力、体积和温度，求解气体常数。计算得到的常数与通用气体常数之间的差异，即代表该气体偏离理想气体行为的程度。