常溫下測量1mol氫氣體積實驗裝置設計的研討(一)

摘  要   常溫下測量1mol氫氣體積的實驗原理為：Mg + H2SO4                     MgSO4  + H2  ， 而常見的實驗裝置歸納起來有二種：一種為用量氣管直接讀取反應所產生氫氣體積數，另一種是用量筒來讀取反應產生的氫氣所排出水的體積數，再換算成氫氣體積數。在這些實驗中我們發現，實驗誤差都比較大，其主要原因是該實驗的化學反應是一個放熱反應，所產生氣體又是一種極易逸散的氫氣。針對以上問題，我們對常溫下測量1mol/L氫氣體積的實驗裝置和實驗操作步驟進行了設計和探究。
關鍵詞   精密度、反應熱、系統可變因素

主要問題
 常溫下測量1mol氫氣體積的實驗原理為：Mg + H2SO4                     MgSO4  + H2  ， 而常見的實驗裝置歸納起來有二種：一種為用量氣管直接讀取反應所產生氫氣體積數，另一種是用量筒來讀取反應產生的氫氣所排出水的體積數，再換算成氫氣體積數。在這些實驗中我們發現主要存在以下問題：
實驗系統可變因素缺乏控制。
所做實驗的數據呈離散性（精密度較差）。
實測氣體體積與理論氫氣體積相比較存在較大誤差（準確度差）。
問題分析
實驗系統可變因素缺乏控制，表現在：
（1）實驗反應機理上：
  Mg + H2SO4                            MgSO4  + H2 
在實驗中可理解為:                                              表1
反應前實驗裝置內狀態:                     反應后實驗裝置內狀態:
Mg、H2SO4溶液及飽和蒸壓、V水汽1、        MgSO4與H2SO4混合溶液及飽和蒸壓、P1、T1 、V空氣1                        V空氣2 、P2、T2、H2、V水汽2
 反應過程中實驗裝置內：
   T2＞ T1     V空氣2 ＞V空氣1      V水汽2 ＞V水汽1       
           
 所以說實驗所測得的氣體體積讀數，實際上是混合氣體體積的讀數（以下同）。
 （2）反應熱的控制上：
 由于每個實驗所用的鎂帶質量存有一定的差異，通過反應熱，最終由T2、V空氣2、V水汽2、混合溶液體積及混合溶液的飽和蒸壓體積，表現出實驗結果的差異性。
 （3）實驗裝置的氣密性上：
    由于氫氣是一種極易逸散的氣體，對于用橡皮塞、乳膠管連接的實驗裝置中存放氫氣而做到氫氣不外溢是很難的，特別是在實驗裝置內壓強大于實驗環境大氣壓的情況下做到氫氣不外溢就更難。且實驗裝置內壓強越大氫氣外溢速度就越快。
所做實驗的數據呈離散性（精密度較差）產生原因：
 由二、1.(1)～(3)可知實驗系統可變因素未能有效控制是實驗的數據呈離散性的主要原因。
實測氣體體積與理論氫氣體積相比較存在較大誤差產生原因：
 除與上述二、1.2.有關外，還與分析天平稱量的準確性、鎂帶的純度、實驗環境等因素有關。
解決問題的方案提出
控制實驗系統可變因素。
減小實測氣體體積與理論氫氣體積間誤差。
使用常規儀器、減少試劑用量，降低實驗成本。
方案落實
確定基本實驗裝置。
確定基本操作步驟。
實驗數據的取得。
對實驗裝置、操作步驟進行可行性分析。
對實驗裝置、操作步驟的進一步改進及擴展思考。
方案實施過程
基本實驗裝置（以下稱本裝置）：見下圖1、圖2。

  實驗儀器及試劑：30mL塑料（或50mL玻璃）針筒一個、500mL燒杯一個、27×120㎜試管一根（附三孔橡皮塞）、1/10000分析天平一臺、U型氣壓管一個（可用二根8×500㎜的玻璃管，底下用乳膠管連通來替代）、10mL量筒一個、溫度計一支、小旋塞開關一個、玻璃三通一個、自制投料器一個、乳膠管、鐵架臺一個（附鐵夾三副）、鎂帶、1mol*L-1 H2SO4 溶液、直尺。
基本操作步驟
如圖2用鐵架臺和鐵夾固定好試管、針筒、U型氣壓管，在試管和250mL燒杯中分別加入5mL1mol*L-1 H2SO4 溶液和適量冷卻水，稱取0.025克鎂帶并加入投料器中。
打開大氣平衡開關，連接實驗裝置，用針筒抽取1mL空氣，關閉大氣平衡開關，將針筒內的少量空氣打入實驗裝置中，U型氣壓管右面水柱升高，以此用來檢查實驗裝置氣密性。如果實驗裝置氣密性良好即可進行實驗。首先打開大氣平衡開關，U型氣壓管左右液面平衡，關閉大氣平衡開關。
將投料器中的鎂帶投入1mol/L H2SO4中。反應開始后，U型氣壓管右面水柱升高，這時用針筒緩緩抽取試管中產生的氣體，使U型氣壓管左右液面保持相對平衡直到反應結束后5分鐘，用針筒調節U型氣壓管左右液面保持平衡，記錄裝置內溫度和針筒中的氣體體積，再根據現場的大氣壓強，計算實測氣體體積與理論氫氣體積間的誤差。
實驗數據取得
實驗裝置加冷卻與不加冷卻裝置內溶液溫度變化與時間的關系。
操作步驟：在二根27×120㎜試管各加入5mL1mol/L H2SO4 ，在溶液中各插入一根溫度計，其中一根試管放入裝有與室溫相同冷卻水的小燒杯中，一根放在空氣中，然后分別在二根試管中加入0.0350克鎂帶，記錄時間與溫度變化情況。數據和變化情況見表2和圖3。
 帶冷卻反應裝置與不帶冷卻反應裝置內，溶液的溫度與時間的變化關系
 表2

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