理想气体定律

概念教师准备学生实验步骤
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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

    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
    • 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
    • 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。

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