摩尔气体常数的测定.docx
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摩尔气体常数的测定
实验十六 摩尔气体常数的测定
一、 实验目的
1、了解分析天平的结构、计量性能,学习并掌握直接称量法;
2、学习测量气体体积的操作:
装置的安装、检漏、量气管液面的观察与读数;
3、学习气体分压的概念;
4、学习误差的表示、数据的取舍、有效数字及其应用规划
5、学习用洗液洗涤特殊仪器。
二、 预习内容
电子天平的使用及称量方法
⑴使用步骤
端坐在天平前,放置干燥器、烧杯等物的搪瓷盘放在天平的左边,实验报告本等放在天平的右边。
查看天平水平仪,气泡是否在黑圈内,如不在黑圈内表示天平不水平,要通过水平调节脚调至水平。
接通电源,预热60分钟后方可开启显示器进行操作使用。
称量前要用标准砝码校正天平。
轻按ON显示器键,等出现0.0000g称量模式后方可称量。
将称量物轻放在称盘上,关严天平门,这时显示器上数字不断变化,待数字稳定并出现质量单位g后,即可读数,并记录称量结果。
称量结束后,取出称量物,按关闭键OFF。
检查天平内清洁与否,如有试样洒落,一定要打扫干净。
关上天平门,罩好布罩,填写登记卡。
⑵称量方法
直接称量法:
对一些在空气中无吸湿性的试样或试剂,如金属或合金等可用直接法称量。
称量时将试样放在干净而干燥的小表面皿上或油光纸上,一次称取一定质量的试样。
先称出干燥洁净的表面皿或油光纸的质量,按去皮键TAR,显示“0.0000”后,打开天平门,缓缓往表面皿中加入试样,当达到所需质量时停止加样,关上天平门,显示平衡后即可记录所称试样的净质量。
差减称量法:
如果试样是粉末或易吸湿的物质,则需把试样装在称量瓶内称量。
倒出一份试样前后两次质量之差,即为该份试样的质量。
称量时,用纸条叠成宽度适中的两三层纸带,毛边朝下套在称量瓶上。
左手拇指与食指拿住纸条,由天平的左门放在天平左盘的正中,取下纸带,称出瓶和试样的质量。
然后左手仍用纸带把称量瓶从盘上取下,放在容器上方。
右手用另一小纸片衬垫打开瓶盖,但勿使瓶盖离开容器上方。
慢慢倾斜瓶身至接近水平,瓶底略低于瓶口,切勿使瓶底高于瓶口,以防试样冲出。
此时原在瓶底的试样慢慢下移至接近瓶口。
在称量瓶口离容器上方约1cm处,用盖轻轻敲瓶口上部使试样落入接受的容器内。
倒出试样后,把称量瓶轻轻竖起,同时用盖敲打瓶口上部,使粘在瓶口的试样落下(或落入称量瓶或落入容器,所以倒出试样的手续必须在容器口正上方进行)。
盖好瓶盖,放回天平盘上,称出其质量。
两次质量之差,即为倒出的试样质量。
若不慎倒出的试样超过了所需的量,则应弃之重称。
如果接受的容器口较小(如锥形瓶等),也可以在瓶口上放一只洗净的小漏斗,将试样倒入漏斗内,待称好试样后,用少量纯水将试样洗入容器内。
减量法称出称量瓶(装有试样)的质量后,按去皮键TAR,取出称量瓶向容器中敲出一定量的试样(倒出试样的方法和注意事项与差减称量法相同),再将称量瓶放在天平上称量,如果所示质量(是“-”号)达到要求范围,即可记录数据。
再按去皮键TAR,称取第二份试样。
2、洗液的使用
洗液使用时应注意:
被洗涤器皿不宜有水,以免洗液被冲稀而失效。
洗液可以反复使用,用后即倒回原瓶内。
当洗液的颜色由原来的深棕色变为绿色,即重铬酸钾被还原为硫酸铬时,洗液即失效而不能使用。
洗液瓶的瓶塞要塞紧,以防洗液吸水而失效。
3、误差和数据处理
误差的分类
在定量分析中,由各种原因造成的误差,按照性质可分为系统误差、偶然误差和过失误差三类。
①系统误差又称可测误差。
由于实验方法、所用仪器、试剂、实验条件的控制以及实验者本身的一些主观因素造成的误差,称系统误差。
这类误差的性质是:
在多次测定中会重复出现;所有的测定或者都偏高,或者都偏低,即具有单向性;由于误差来源于某一个固定的原因,因此,数值基本是恒定不变的。
②偶然误差又称随机误差或未定误差。
是由一些偶然的原因造成的,例如,测量时环境温度、气压的微小变化,都能造成误差。
这类误差的性质是:
由于来源于随机因素,因此,误差数值不定,且方向也不固定,有时为正误差,有时为负误差。
这种误差在实验中无法避免。
从表面看,这类误差也无什么规律,但若用统计的方法去研究,可以从多次测量的数据中找到它的规律性。
③过失误差这是由于实验工作者粗枝大叶,不按操作规程办事,过度疲劳或情绪不好等原因造成的。
这类错误有时无法找到原因,但是完全可以避免。
准确度和精密度
准确度准确度表示测定值与真实值接近的程度,表示测定的可靠性,常用误差来表示,它分为绝对误差和相对误差两种。
绝对误差=Xi-Xt
相对误差=(Xi-Xt)/Xt×lO0%
式中,Xi——测定值;Xt——真实值。
绝对误差表示测定值与真实值之间的差,具有与测定值相同的量纲;相对误差表示绝对误差与真实值之比,一般用百分率或千分率表示,无量纲。
绝对误差和相对误差都有正值和负值,正值表示测定结果偏高,负值则反之。
精密度精密度表示各次测定结果相互接近的程度,表达了测定数据的再现性,常用偏差来表示,分为绝对偏差和相对偏差两种。
绝对偏差=Xi- X平均
相对偏差=(Xi- X平均)/×100%
准确度和精密度是两个不同的概念,它们是实验结果好坏的主要标志。
在分析工作中,最终的要求是测定准确,要做到准确,首先要做到精密度好,没有一定的精密度,也就很难谈得上准确。
但是,精密度高的不一定准确,这是由于可能存在系统误差。
控制了偶然误差,就可以使测定的精密度好,只有同时校正了系统误差,才能得到既精密又准确的分析结果。
精密度的量度-标准偏差个别数据的精密度是用绝对偏差或相对偏差表示的。
对一系列测定数据的精密度则要用统计学上的方法来量度。
因为,即使在相同条件下测得的一系列数据,也总会有一定的离散性,分散在总体平均值的两端。
样本标准偏差(S)是统计学上用来表示数据的离散程度,也可用来表示精密度的高低。
计算式如下:
为了计算方便,也可用下面的等效式计算:
由于标准偏差不考虑偏差的正、负号,同时又增强了大的偏差数据的作用,所以能较好地反映测定数据的精密度。
三、 实验原理
一定量的金属镁m(Mg)和过量的稀酸作用,产生一定量的氢气m(H2),在一定的温度(T)和压力(p)下,测定被置换的氢气体积V(H2)。
根据分压定律,算出氢气的分压:
p(H2)=p-p(H2O)
假定在实验条件下,氢气服从理想气体行为,可根据气态方程式计算出摩尔气体常数R:
R=p(H2)V(H2)×2.016/m(H2)T
其中m(H2)=m(Mg)×2.016/Ar(Mg),式中Ar(Mg)为Mg的相对原子质量。
所以:
R=p(H2)V(H2)Ar(Mg)/m(Mg)T
四、 实验步骤
1、 称镁条质量
用砂纸清洁镁条,除去表面的氧化物与脏物,直至金属表面光亮无黑点。
准确称取镁条质量,并控制在80~105mg。
将上面称的镁条用剪刀等分成3份,分别称准其质量。
每根镁条用小称量纸包好,写上质量后保存。
2、 安装测定装置
洗净漏斗、试管,洗液洗涤量气管;
按图装配仪器,赶气泡。
3、 检漏
把漏斗下移一段距离,并固定。
如量气管中液面稍稍下降后(约3~5min)即恒定,说明装置不漏气。
如装置漏气,检查原因,并改进装置,重复试验,直至不漏气为止。
4、 测定
用漏斗加5mL稀H2SO4到试管内(切勿使酸沾在试管壁上),用少量水沾镁条于试管上部壁上。
调整漏斗高度,使量气管液面保持在略低于刻度“0”的位置,塞紧磨口塞,检查是否漏气。
使量气管和漏斗内液面保持同一水平,读量气管液面的位置,记录。
抬高试管底部,使镁条与酸接触。
同时降低漏斗位置,使两液面大体水平。
待试管冷却至室温,保持两液面同一水平,记下液面位置。
稍等1~2min再记录液面位置,记下室温和大气压力。
用另两份已称量的镁条重复实验。
五、 数据记录与处理
实验序号
1
2
3
镁条质量m(Mg)/g
反应后量器管液面位置/mL
反应前量器管液面位置/mL
氢气体积V(H2)/mL
室温T/K
大气压p/Pa
T时的饱和水蒸气压p(H2O)/Pa
氢气分压p(H2)/Pa
摩尔气体常数R
R平均(舍前)
S
T
R平均(舍后)
准确度
(R测-R理)/R理×100%
六、 思考题
1、使用电子天平时,为什么要经常查看水平仪,确定天平是否水平;如不水平,如何调节水平?
答:
因电子天平自重较轻,容易被碰撞移位,造成天平不水平。
如天平不水平称量结果不准。
如气泡不在黑圈内,说明天平不水平。
调节时,眼睛在水平仪的上方观察,一边旋转螺旋脚,一边观察气泡的移动,直到气泡在黑圈内。
2、开启天平后,为什么要等出现称量模式:
0.0000g后方可称量?
答:
出现称量模式0.0000g,表示对天平的显示器功能已检查完毕,天平可以使用。
3、 电子天平显示屏上的数字不稳,可能的原因有哪些?
答:
预热时间不够;
防风门未关或未关严,造成气流;
天平工作台不稳定(有振动);
室温变化大;
称量瓶烘干后未冷至室温;
拿称量瓶的纸条不干燥;
天平内的毛刷与称盘有轻微接触;
称量物洒落在天平盘上后,未及时清理。
4、 称量前,应做哪些检查?
答:
检查称量物的温度与天平箱内温度是否相等,称量物外部是否清洁和干燥;
查看水平仪,气泡是否在黑圈中;如不水平,调螺旋脚;
检查天平底板上、称盘上是否清洁,如有洒落的试样,用刷子打扫干净。
5、 哪些试样可以用直接称量法称量,如何称量?
答:
对一些在空气中无吸湿性的试样或试剂,如金属或合金等,可用直接称量法称量。
轻按ON键(已预热60min的前提下),等出现称量模式0.0000g后,将50mL干燥、洁净的小烧杯放入称盘,待显示屏上数字稳定并出现质量单位g后,即可读数记录。
6、怎样除去镁条表面的氧化物与脏物,如何判断已除净?
如未除净对实验结果有何影响?
答:
将砂纸对折夹住镁条,向一个方向拉,可砂去氧化物与脏物。
注意用力要均匀,不要将镁条折断。
有时镁条表面不平,凹处脏物难以除去,可将镁条放在木块上,集中擦凹处。
将砂过的镁条对光观察,如表面均呈金属光泽,无黑点,则表示氧化物与脏物已除去。
此时用干净的纸夹住镁条,向一个方向拉,除去遗留的脏物。
如有氧化物或脏物,将使测定值R不准确。
7、 如何称量镁条?
答:
用直接称量法称镁条质量:
⑴直接在天平盘上放入长镁条,称出其质量,记录。
⑵三等分镁条,分别称出小镁条质量,用小称量纸包好,写上镁条质量。
将它们放在干燥的50mL小烧杯中备用。
8、 为什么要控制镁条的质量,如不合要求怎么办?
答;⑴根据计算式:
R=p(H2)×V(H2)×Ar(Mg)/m(Mg)
可知,当镁条质量太小时,称量误差、量气管读数误差所占的比例均增大,所以实验中,要求每根镁条的质量>25mg。
但又要求m(Mg)<35mg,因镁条质量大,V(H2)也大,我们所用量气管的体积约在50mL,如超出了量气管的容量,将无法测出反应后量气管的液面位置。
根据每根镁条的质量要求,可算出长的镁条质量应控制在80~105mg的范围。
⑵如长镁条的质量>105mg,则用剪刀剪去一部分(将剪下的部分还给指导老师)。
如长镁条轻了,可另取镁条,处理后称量(或剪去部分镁条,使余下的质量在50~70mg,等分为两份,再另取一小镁条,使其称量后的质量为25~35mg)。
9、 为什么要先称长镁条的质量,然后三等分,再分别称出三根小镁条的质量?
答:
这是在进行称量练习,通过多次称量达到掌握直接称量法的目的,比较m长与m1+m2+m3的结果,可检验称量结果的准确性(当然,每次称量时,天平本身会引入称量误差,所以允许有适当的差值)。
10、 使用洗液的注意事项有哪些?
答:
洗液由粗重铬酸钾溶于温热的浓硫酸中配制而成。
洗液具有强酸性、强氧化性,能把仪器洗净。
使用时注意:
被洗涤的器皿不宜有水,以免洗液被冲稀而失效。
仪器洗涤时,如仪器内无还原性物质,可直接用洗液洗。
如有,则用水冲洗,尽量去水后再用洗液洗。
如洗液中引入水,会析出橙红色的物质。
洗液可反复使用,用后请倒回原瓶。
当洗液的颜色由原来的深棕色变为绿色,即Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)时,洗液已失效而不能使用。
盛洗液的瓶要塞紧瓶塞,以防洗液吸水而失效。
由于Cr(Ⅵ)是致癌物质,所以凡能不用洗液洗的仪器一定不用洗液,洗液废水应回收,作处理后排放。
由于洗液的强酸性、强氧化性,它对衣服、皮肤、桌面、橡皮等的腐蚀性也很强,使用时请小心。
11、 量气管与筒形漏斗接上橡皮管时,为什么要用水湿润,连接橡皮管时,为什么要近距离操作?
答:
用水湿润后可减少摩擦力,使橡皮管容易套在量气管、筒形漏斗上;
因量气管与漏斗均是玻璃制品,远距离操作、用力过猛,均使玻璃仪器易折断而伤手。
12、 如何安装量气装置?
答:
安装的顺序是:
先下后上、自左至右,要求各连接部分既紧密吻合,又无张力。
整套装置要平正、整齐、正确美观。
拆卸仪器的顺序则与安装时正好相反,即先右后左、从上而下,安装次序如下:
⑴.先安装十字夹、自由夹,再安装滴定管夹;
⑵.用橡皮管连接量气管末端(50mL刻度处)、乳胶管连接量气管零分度处(乳胶管、橡皮管需安装到量气管的收缩部分),将量气管夹在滴定管夹的左侧;
⑶.连接橡皮管与筒形漏斗,将筒形漏斗放入自由夹钳口,左手抓住钳口,右手轻缓旋转螺丝使漏斗沿口正好能挂在自由夹钳上。
13、 为什么要检漏,如何检漏,检漏的原理是什么?
答:
若测定装置漏气,VH2偏小,R值偏小,所以必须检漏。
将漏斗下移(或上移)一段距离后固定在某一位置,如量气管中的液面只在开始时稍有下降(或上升),约3~5min以后,即维持恒定,便说明装置不漏气。
若液面继续下降(或上升),则说明装置漏气。
检漏原理:
在一密闭的体系中,气体的质量为定值,当T、p一定时V为定值。
下移(或上升)漏斗后固定,此时体系内p改变,V也随之变化,达平衡后即维持恒定,这说明体系不漏气。
若漏气,则根据连通器原理,量气管内的液面一直下降(或上升),直至连通器两边的液面相同。
14、 测定装置的哪些部位易漏气?
如装置漏气如何查原因?
答:
⑴漏气部位:
乳胶管,乳胶管分别与量气管、支管(试管)的连接处,试管的管口与塞子塞紧处
⑵逐项检查:
① 乳胶管 将其拉长后对光观察,如有小孔或老化现象则会漏气
② 乳胶管与量气管、支管连接处是否紧密。
③试管的平头塞是否塞紧。
15、 为什么用长颈漏斗加2mol·L-1H2SO4?
为什么放入或取出漏斗时漏斗颈末端均不能碰到试管壁?
答:
⑴用漏斗加可避免试管壁上有酸。
⑵如末端碰到试管壁,则会使试管内壁沾到酸。
待镁条贴在试管壁上时,镁条与酸反应,但此时测定还未开始,使实验结果不准确。
16、 如何调节量气管内的液面略低于“0”刻度,为什么要调节液面?
答:
小心将试管夹在滴定管夹的右侧,支管连接乳胶管。
左手提漏斗上移,待液面上升至略低于零刻度时,右手拿磨口塞塞进试管口,放漏斗在自由夹内后塞紧塞子,此时量气管的液面符合要求。
酸与镁条反应后产生一定体积的氢气,气体将量气管中的液体压入漏斗,量气管的液面将降低。
如反应前量气管的液面不在0~5mL的范围内,反应后量气管的液面就有可能超出它的最大刻度50.00mL,从而无法测定反应后的液面位置而得不到VH2值。
17、 读取液面位置时,漏斗与量气管内液面的位置为什么要保持同一水平?
答:
只有两液面保持同一水平时,量气管内的压力等于大气压,测得的量气管内液面位置才正确。
若量气管内液面高,则管内的压力<p大,测得的液面位置(V终)比真实值大;反之,测得的液面位置比真实值小,均导致VH2不准确。
18、 在反应前为什么要将漏斗降低,反应时随管内液面下降,漏斗相应移动?
答:
避免管内压力过大。
若漏斗未下移,漏斗内液面位置高于量气管内液面,管内气体受到的压力大于大气压力。
若管内压力过大,H2易泄漏。
19、 反应过程中,量气管压入漏斗的水过多而溢出,对测定结果有无影响?
答:
无影响。
装置中的水有两个作用:
⑴封闭量气管内的气体不与大气相通;
⑵指示量气管内、漏斗内液面位置,所以溢出对测定无影响。
20、 为什么要待试管冷至室温后,才能记录液面位置?
如何判断已冷至室温?
答:
反应放热,使试管、气体的温度提高,但计算R时,气体的温度为室温,所以要冷至室温。
用手摸有液体部分的试管,不感到热时,可读数、记录液面的位置(记住两液面要同一水平),稍等1~2min再读取、记录液面的位置,如两次读数相等或<0.05mL,则可认为已与室温一致。
21、 第一份镁条用于测试后,为什么试管中的酸不能用于第二份的测定?
答:
用第一份镁条测试时,倾斜试管,酸与镁条接触开始反应,此时试管壁上已有酸。
如不倒掉后洗净,则第二份镁条一碰到管壁就会与酸反应,所以试管内的酸不再利用,要倒掉,并用自来水冲洗至无酸。
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