榮鳳娜

摘要：針對(duì)教材上“氣體摩爾體積實(shí)驗(yàn)”諸多不夠完善的地方，利用手持技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)。經(jīng)過層層探究，設(shè)計(jì)了一套簡化且能提高測量準(zhǔn)確度的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)誤差能控制在0.2%左右。實(shí)踐表明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)更易讓學(xué)生動(dòng)手去做。而本實(shí)驗(yàn)探究過程也是展示中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的一種嘗試。

關(guān)鍵詞：氣體摩爾體積測定；水的蒸氣壓；手持技術(shù)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）9–0048–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“測定1mol氣體的體積”是高中化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，但在科教版高中教材中的該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[1]有諸多不完善的地方（見圖1），如測定誤差較大，操作需要進(jìn)行兩次抽氣和一次加料，三次都要用到注射器，很容易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；再者，將該套裝置中的量瓶裝好液體（至滿刻度）后倒出，精確地測量其體積，發(fā)現(xiàn)該量瓶存在2～5mL的體積誤差。另有張集川、閔庶弘老師還撰文提出“該實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)液瓶（圖1中的B）的設(shè)計(jì)和讀數(shù)方法存在一個(gè)難以忽視的誤差問題”，并提出了修改方案[2]。2014年末有孫黎穎、白立根老師撰文指出該實(shí)驗(yàn)方案“操作難而繁瑣，實(shí)驗(yàn)可行性差并偏離學(xué)生的認(rèn)知能力”[3]。另外，影響該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的因素還包括反應(yīng)的熱效應(yīng)（計(jì)算時(shí)代入的是室溫）、水的蒸氣壓（計(jì)算時(shí)沒作考慮）以及一系列因操作復(fù)雜而引起的偶然誤差等等。因此我們希望通過引入手持技術(shù)，設(shè)計(jì)新的方案，將上述影響因素能夠較好地規(guī)避，以提高測定氣體摩爾體積實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，優(yōu)化我們的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)用鎂帶制備氫氣：

Mg（s）+H2SO4（aq）=MgSO4（aq）+H2（g）

以該反應(yīng)式為基礎(chǔ)，通過稱量參與反應(yīng)的鎂帶質(zhì)量，推算出產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量的理論值；再通過實(shí)驗(yàn)測得氣體產(chǎn)物（氫氣）的相關(guān)數(shù)據(jù)（溫度、壓強(qiáng)）進(jìn)行計(jì)算求得氫氣摩爾體積的實(shí)驗(yàn)值，最后與理論值進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

（1）實(shí)驗(yàn)儀器。氣體壓強(qiáng)、溫度傳感器（雙孔橡皮塞中分別安置一個(gè)溫度探頭和壓強(qiáng)傳感器探頭），Vernier數(shù)據(jù)采集器（采集各個(gè)時(shí)刻的溫度和壓強(qiáng)），計(jì)算機(jī)（配備Vernier程序、可進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算），675mL雙層隔熱圓底燒瓶（定制，為隔熱將內(nèi)外兩層玻璃中間抽真空），注射器，天平，砂紙，燒杯，蒸餾水

（2）實(shí)驗(yàn)試劑。2 mol/L稀硫酸、鎂帶

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）將氣體壓強(qiáng)、溫度傳感器固定在一個(gè)雙孔橡皮塞上，按照?qǐng)D2實(shí)驗(yàn)裝置連接好各儀器，檢驗(yàn)氣密性，再將探頭導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連。

（2）取一條鎂帶，用砂紙磨去表面的氧化物，稱量鎂帶質(zhì)量（調(diào)整到約0.020～0.040克之間）并記錄質(zhì)量。

（3）鎂帶上蘸取少量水，將其粘附在燒瓶內(nèi)壁。

（4）將配有溫度、壓強(qiáng)傳感器的雙孔橡皮塞塞緊燒瓶。

（5）用針筒吸取過量稀硫酸，記錄體積（如15mL）。

（6）將裝有稀硫酸的針筒口與活塞一端連接好（見圖2）。

（7）打開數(shù)據(jù)采集器，開始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)圖像穩(wěn)定后，打開活塞閥門，緩緩地注入全部稀硫酸，再關(guān)閉閥門。

（8）待容器內(nèi)溫度、壓強(qiáng)穩(wěn)定后，輕輕搖動(dòng)燒瓶，讓鎂條和稀硫酸充分接觸反應(yīng)。

（9）反應(yīng)結(jié)束，記錄最高壓強(qiáng)和相對(duì)應(yīng)時(shí)刻的溫度。

5 數(shù)據(jù)分析與處理

在實(shí)驗(yàn)采集過程中，我們可以得到反應(yīng)壓強(qiáng)最高點(diǎn)的數(shù)值（見圖3中的曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)），即P（max）。其中包含了反應(yīng)生成的氫氣、水蒸氣以及原先燒瓶中所留空氣的那部分壓強(qiáng)。根據(jù)道爾頓分壓定律，我們用P（max）減去一開始酸注入后穩(wěn)定的壓強(qiáng)值P初，以及在壓強(qiáng)最高點(diǎn)時(shí)溫度所對(duì)應(yīng)的水的飽和蒸氣壓值，即可得ΔP的真正數(shù)值。

說明：手持技術(shù)中的壓強(qiáng)和溫度讀數(shù)可精確到小數(shù)點(diǎn)后9位，水的蒸氣壓查表數(shù)據(jù)可得小數(shù)點(diǎn)后五位。具體計(jì)算時(shí)利用計(jì)算器ANS功能，連步計(jì)算，盡可能減少數(shù)字累積誤差。

6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的展現(xiàn)

6.1 在實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)程中，展現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)

上述圖2的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置及方案設(shè)計(jì)并不是一步到位的，其間帶領(lǐng)學(xué)生研究小組經(jīng)歷了一個(gè)反復(fù)摸索、探究的過程。該探究過程可以說是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的一種嘗試。

當(dāng)初第一次作實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)時(shí)，參考了國外的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置[4]（見圖4），使用了錐形瓶和普通水浴，測外界水浴溫度和錐形瓶內(nèi)壓強(qiáng)，此方案的實(shí)驗(yàn)裝置及測試原理頗有新意，取材方便，操作也簡單，讓學(xué)生動(dòng)手做完全有可行性，故得到較廣泛好評(píng)。但由于該方案中溫度探頭所測位置在外側(cè)，導(dǎo)致溫度不一，因此測量的準(zhǔn)確性仍不理想，實(shí)驗(yàn)誤差在5%左右。

第二次設(shè)計(jì)改用了大試管和冰水?。ㄒ妶D5），試圖將反應(yīng)裝置內(nèi)的溫度控制在0℃，但結(jié)果依舊差強(qiáng)人意，甚至實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)造成試管爆裂。

第三次設(shè)計(jì)使用了圓底燒瓶和由教師指導(dǎo)并自主設(shè)計(jì)的氣體壓強(qiáng)、溫度傳感器裝置，直接可測得反應(yīng)儀器內(nèi)的溫度、壓強(qiáng)（見圖6），該方案的實(shí)驗(yàn)裝置更簡易，取材也方便，操作更容易。該方案也受到同行的贊許，并被一些學(xué)校用于演示實(shí)驗(yàn)。但由于該方案隔熱效果差，誤差更大（約在10%左右）。

最后即第四次設(shè)計(jì)，我們將普通的圓底燒瓶換成了自己設(shè)計(jì)的雙層隔熱圓底燒瓶，兩層中間抽真空，杜絕外界溫度影響（原理如熱水瓶瓶膽），能將實(shí)驗(yàn)誤差維持在0.2%左右，使實(shí)驗(yàn)測試的準(zhǔn)確度得到較大提高（裝置見圖2）。

6.2 通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)，展現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)

6.2.1 利用手持技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，將手持技術(shù)引入中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)

手持技術(shù)在我國發(fā)展的時(shí)間較短，約在20世紀(jì)90年代進(jìn)入我國。在歐美等國家，將手持技術(shù)用于教學(xué)已經(jīng)有30多年歷史。與之相比，國內(nèi)的研究仍處于薄弱局面。

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過改進(jìn)和完善，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但也有一些實(shí)驗(yàn)存在現(xiàn)象不明顯、耗時(shí)長、有一定危險(xiǎn)性。而傳感技術(shù)具有直觀化、簡易化、定量化、探究性等優(yōu)點(diǎn)，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，操作更為簡便，更加安全環(huán)保。

6.2.2 由教師指導(dǎo)并自主設(shè)計(jì)的氣體壓強(qiáng)、溫度傳感裝置

將原本分離的兩個(gè)傳感器結(jié)合在了一起，避免了外置溫度傳感器導(dǎo)致的溫度誤差。使用精確度較高的水銀溫度計(jì)和物理實(shí)驗(yàn)室測壓強(qiáng)的裝置對(duì)我們使用的氣體壓強(qiáng)、溫度傳感器進(jìn)行了儀器校準(zhǔn)，使手持儀器基本沒有誤差，從而提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

6.2.3由師生共同設(shè)計(jì)的雙層隔熱裝置

使用該裝置，減少了反應(yīng)器內(nèi)外進(jìn)行熱交換導(dǎo)致的溫度誤差，使測試更精準(zhǔn)。

6.2.4 實(shí)驗(yàn)公式的選擇

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中使用了克拉伯龍方程PV=nRT，但發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)測得氣體的體積還包括了水蒸氣、空氣等，故并不適合用總壓直接計(jì)算，而是應(yīng)該通過由道爾頓分壓定律求得的ΔP（壓強(qiáng)改變量）來進(jìn)行計(jì)算。

7 實(shí)驗(yàn)感悟

實(shí)驗(yàn)過程中，我們逐步地盡量排除所有外界干擾，減小實(shí)驗(yàn)誤差?？紤]到了反應(yīng)過程中的水蒸氣壓，溫度的熱交換等影響因素；排除了酸的純度以及多次抽氣導(dǎo)致的誤差；降低了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性；修正了計(jì)算公式，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。本實(shí)驗(yàn)中手持技術(shù)的引入，使我們的化學(xué)實(shí)驗(yàn)變得便利，且直觀、清晰、有效。當(dāng)然，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，還存有許多值得我們反思的地方，例如在一開始計(jì)算壓強(qiáng)的時(shí)候，學(xué)生并沒有考慮到水的飽和蒸氣壓的問題，等到進(jìn)行文獻(xiàn)檢索的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)應(yīng)該注意水的蒸氣壓。并且起初的氣體壓強(qiáng)溫度傳感器并非是一個(gè)整體的裝置，而是外置的溫度探頭和一個(gè)內(nèi)置的壓強(qiáng)傳感器。在多次實(shí)驗(yàn)失敗后，在師生的共同努力下，實(shí)驗(yàn)小組的學(xué)生才有創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)：壓強(qiáng)、溫度傳感器可以融為一體。

與此同時(shí)，在此次實(shí)驗(yàn)課題研究過程中，學(xué)生明顯感受到自己的動(dòng)手能力提高了，還提升了發(fā)散思維的意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。原來的化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生而言，是書本知識(shí)的一種具體體現(xiàn)，即使讓學(xué)生自己動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也只是簡單按照書本上的步驟按部就班地做實(shí)驗(yàn)，而這個(gè)“利用手持技術(shù)提高‘氣體摩爾體積實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性”課題研究實(shí)驗(yàn)，卻是一個(gè)由點(diǎn)及面逐步發(fā)散的過程，學(xué)生經(jīng)歷了從普通的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，共同討論解決問題的方法，再自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)解決問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生的動(dòng)手能力實(shí)實(shí)在在得到了訓(xùn)練，思維更為發(fā)散，考慮問題的嚴(yán)謹(jǐn)性明顯提高，創(chuàng)新意識(shí)獲得提升。

8 展望

利用該套實(shí)驗(yàn)裝置，還可測定其他氣體（例如二氧化碳等）的氣體摩爾體積，并進(jìn)行相關(guān)的比較、探究。還可嘗試運(yùn)用微積分的計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步減小誤差。若有可能，還可推薦該套實(shí)驗(yàn)裝置讓工廠來開發(fā)和生產(chǎn)相關(guān)儀器，使其能被中學(xué)教學(xué)廣泛采納，優(yōu)化中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚子鵬主編.高中化學(xué)教科書·高二化學(xué)（第一學(xué)期）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2009：47～51.

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[3]孫黎穎，白立根.“測定1mol氣體的體積”實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的中英比較[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（12）：60.

[4] Antony Wilbraham，Dennis Staley，Michael Matta，Edward Waterman. PRENTICE HALL Chemistry [M]. The Prentice-Hall，Inc. 2005.