常溫下體積法測定氧氣摩爾質量的實驗設計

王發應+++羅顯中+++劉++玲

摘要：為了使學牛真正理解和掌握摩爾質量的概念及由來，充分利用玻璃注射器對壓力反應靈敏、刻度準確、氣密性良好等特點進行常溫下體積法測定氧氣摩爾質量實驗的設計，使實驗過程能自動收集氣體并調節裝置內外的壓力相一致。通過測量過氧化氫溶液在二氧化錳的催化作用下產牛氧氣的體積，可以求出氧氣的摩爾質量。實驗操作簡單，實驗成本低，便丁推廣。

關鍵詞：體積法測定；氣體摩爾質量；實驗設計；化學實驗探究

文章編號：1005 - 6629（2015）5 - 0066 - 03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

在學習摩爾質量一節時[1]，各種物質的摩爾質量的數值都是通過理論推導得出的，導致課堂教學顯得枯燥無味，不便于學生掌握，增加了學生的學習負擔。那么，能否通過實驗來測定，將這一知識點的學習由感性認識逐步轉變為理性認識，從而降低學生學習的難度，實現有效教學？

2 研究目的

為了解決這一問題，我們通過網絡，以“常溫下氧氣摩爾質量的測定”、“氧氣摩爾質量的測定”、“摩爾質量的測定”等詞條進行搜索，結果都沒有找到所需的內容。為此，我們設計了如下實驗。

3 實驗方法

3.1 實驗原理

雙氧水在二氧化錳的催化作用下分解生成氧氣。

通過網上資料查到，標準狀況（ 20℃，latm）下，氧氣的密度為1.43 g/L，水的密度為0.998 g/cm3。再將《水的密度表》[2]和《過氧化氫濃度密度對照表》[3]進行對比，發現在同一條件下，溶質的質量分數為1%～5%的雙氧水的密度與水的密度非常接近，特別是3%的雙氧水與水的密度幾乎相等，約為0.998 g/cm3，為了方便數據處理，我們按1.0 g/cm3進行計算。

設常溫常壓下（實驗時間為2014年10月16日下午17：30～18：30，實驗條件為：98.8kPa，16℃，實驗地點為貴州省金沙縣城區），氧氣的摩爾質量為M（ g/mol），當用ImL 3%的雙氧水（廣東恒健制藥有限公司生產的“恒健”牌過氧化氫溶液）來做實驗時，完全反應后產生的氧氣體積為V （mL），則有：

上式說明，只要測得ImL溶質的質量分數為3%的雙氧水在常溫常壓下完全分解后產生的氧氣體積V即可計算出氧氣的摩爾質量。

但如何才能準確測定反應中所產生的02的體積呢？通過“常溫下氣體摩爾體積的測定”[4]一文的研瀆，發現該方法可行，但文中所述實驗方法是利用排水集氣法收集并測量反應產生的O2，體積，涉及到反應前后兩次調節集氣筒和集液筒中液面高度的操作，操作比較麻煩。為了簡化實驗操作，我們考慮作以下改進。

（1）由于是通過測量體積而不是稱質量來測定氧氣的摩爾質量，故無需考慮氣體的純度，可以用排空氣集氣法來收集并測量氧氣的體積，這樣可以免去排水集氣法收集并測量反應產生的02體積時，調節集氣筒和集液筒中液面高度的操作，從而簡化了實驗操作。

（2）由于筆者曾經使用并研究過玻璃注射器，了解其對壓力的感應非常靈敏，且具有刻度準確、氣密性良好等特點，因此將其與氣體發生裝置直接相連，不僅使反應產生的氣體被自動收集到其中，義能較準確地讀出氣體體積，從而使該實驗實現了一定程度的自動化，減少了人工操作步驟，大大地簡化了實驗操作。

（3）為了縮短實驗操作的時間，我們還考慮連續實驗時所需解決的廢液和廢氣的排出問題。于是在反應室底部設計了廢液出口，當進行下一次實驗時，只需打開止水夾將玻璃注射器活塞歸零，再關閉止水夾就能同時解決廢液和廢氣的排出問題。

3.2 實驗裝置

基于上述分析和思考，根據實驗原理，我們設計了如圖1所示的實驗裝置。

圖示說明：

①支架（裝飾用鋁塑板粘合而成）

②20mL醫用玻璃注射器（用于收集并測量反應產生的02體積。為了提高測量的精確度，用直尺測量注射器上兩個最小刻度[lmL]之間的距離，直尺顯示為3mm，于是打印了一張間距為Imm的短豎線紙條，用透明膠帶粘貼在玻璃注射器的對應刻度上，從而將玻璃注射器的精確度提高到了0.33mL）

③注射用針頭帽（將注射用針頭的針管拔掉，用膠水將其粘在反應室側壁上的孔中）

④SmL醫用塑料注射器（用于抽取并添加液體反應物3%雙氧水）

⑤橡皮塞（用于封閉反應室）

⑥反應室（用半截20mL醫用塑料注射器制成，用作反應容器，盛裝反應的催化劑——塊狀或顆粒狀的二氧化錳）

⑦塊狀或顆粒狀二氧化錳（將二氧化錳粉末與熟石膏按3：1或2：1的體積比或質量比混勻后加水調和晾干制成）

⑧廢液出口管及開關（用一段輸液管和止水夾組成）

⑨廢液收集容器（半截空藥瓶制成）

3.3 實驗步驟

3.3.1 檢查氣密性

如圖1所示，打開廢液出口開關，拉動SmL注射器活塞抽人_定量空氣，關閉廢液出口開關，推、拉SmL注射器活塞，如果20mL注射器活塞移動的示數與SmL注射器相同，表明裝置氣密性良好，就可以用來做實驗了。否則應用水將橡皮塞外沿和玻璃注射器內壁潤濕后插回原位旋緊，然后重復上述操作，直至兩注射器活塞移動的示數相同為止。

3.3.2 實驗操作

（1）實驗準備。取下反應室口橡皮塞，加入適量二氧化錳顆粒，重新塞好橡皮塞；然后取下SmL注射器筒抽取4～5mL 3%標準濃度的雙氧水，插回原位。

（2）制取并收集氧氣。打開廢液出口開關，將20mL注射器活塞歸零，關閉廢液出口開關，推動5mL注射器活塞，向反應室中注入ImL 3%雙氧水標準溶液。在二氧化錳的催化作用下，雙氧水分解生成氧氣，隨著反應的進行，玻璃注射器活塞在產生的氧氣形成的壓力下慢慢向外移動。待反應室中不再產生氣泡，恢復至室溫，讀取收集到的氧氣的體積，同時從氣壓計中讀取此時的大氣壓和室溫，記錄在表1中。重復相同操作3～4次。將幾次實驗測得的氧氣體積的平均值減去加入的雙氧水的體積（因為加入的雙氧水排出的空氣也會進入玻璃注射器）代人①式中，即可得出常溫下氧氣的摩爾質量。

4 精確度

（32.82-32）÷32 x100%=2.5%

亦即實驗的精確度為97.5%。

5 誤差分析

本實驗的誤差來自如下兩個方面：

（1）雙氧水的密度是按l.Og/cm3進行處理的，而實際上沒有這么大。（2）本實驗所用藥品為廣東恒健制藥有限公司生產的“恒健”牌過氧化氫溶液，標簽上標明“含過氧化氫（H202）2.5%～3.5%”，并不是我們所需要的標準3%的過氧化氫溶液。從實驗結果來看，測量值比實際值略偏大，說明該廠生產的并非標準濃度的過氧化氫溶液，用于科研工作的定量實驗中會產生一定誤差。

6 實驗說明

針對藥品所造成的實驗誤差，我們義買來其他廠家生產的不同品牌的標識為3%的過氧化氫溶液進行反復實驗，但測量結果仍然存在不同程度的誤差，有時偏高，有時偏低，而在中學化學實驗室義無法獲取3%的標準過氧化氫溶液，因此實驗只能到此為止。但這并不影響我們設計實驗的初衷，因為我們設計該實驗的目的，是旨在設計一個簡單的實驗裝置和利用一些現成的物品，提供一種在普通中學實驗室甚至日常生活中，均能輕松測量摩爾質量的實驗方法，并達到高達97.5%的精確度，可以說實驗已經獲得了成功。

7 本實驗的優點

（1）使摩爾質量的教學通過實驗從感性認識逐步轉變為理性認識，同時讓學生感受和體驗了科學研究的方法和過程。

（2）充分利用玻璃注射器對壓力感應靈敏、氣密性良好、刻度準確的特點，使實驗實現了一定程度的自動化，大大簡化了實驗操作。

（3）利用體積法來進行測定，避免了質量法中因稱量物質的微小質量而帶來的操作難度大、對稱量儀器精密度要求高、且要考慮稱量過程中因注射器體積變化空氣浮力對質量的影響等不利因素，解決了不具備質量法測定氧氣摩爾質量實驗條件的普通中學的實驗設備問題。

（4）利用初中化學中所學基本化學反應原理進行設讓實驗原理簡單，淺顯易懂，學生容易理解和接受。實驗所用物品均為學生所熟悉，使學生感受到生活中處處有化學，創新就在身邊，從而激發學生的創新欲望，培養學生的創新意識和能力。

（5） 一瓶市售醫用3%雙氧水（lOOmL）售價為1元錢，而每次實驗只需3—4mL，實驗成本幾乎為零，且反應產物為水和氧氣，環保無污染。

（6）如果改變實驗原理，更換藥品后，用同樣的操作方法，還能測量其他氣體（如H2、C02、Cl2等氣體）的摩爾質量。

參考文獻：

[1]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M]北京：人民教育出版社，2007

[2] 1990年國際溫標純水密度表.http：∥wenku.baiducom/view/39fc7f785 acfalc7aaOOccbc.html

[3]過氧化氫濃度密度對照表.http：//wenku.baidu.com/view/af4f8d46a8956bec0975e3be.html.

[4]王發應.常溫下氣體摩爾體積的測定[J].中學化學教學參考，2012，（10）：50～51