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第3章 有关阿佛加德罗常数测定实验的操作和改进(3)

保持洁净的水面和足够大的水表面积也是减小实验误差的一个关键要保证水面的洁净,必须充分洗涤供实验使用的圆型玻璃水槽。洗涤的具体过程有:

①先用自来水冲洗掉水槽中明显的污物;②再用热水溶混小苏打(或苏打)和去污粉,刷洗水槽二三次;③再用热水冲洗,用苏打和去污粉刷洗水槽二三次;④最后用自来水冼净水槽后,装足量的自来水备用。

一定要防止实验用水面上存在有油污和其它漂浮物。特别是在做重复测定时更应注意。

水槽的直径最好选在30厘米以上,以保证测定实验中有足够大的水表面积,从而减小相对误差。为保持水表面积在重复测定中不变化,可以在水槽外面划一标记线,使每次测定中水量稳定不变。至于水面直径的测量,最好应在水槽注水前,用洁净的内卡尺沿水槽内壁从标线的三个不同方向量取,再求算出平均值作为水表面的直径值。

保持平静的实验水面和滴管与水面间适当的距离也是很重要的滴管应位于水槽上方中心,且使滴管口与水面相距2厘米为宜。

滴管过高往往会因滴加溶液时造成水面波动增大实验误差。在重复测定时,滴管的使用和滴管与水面的距离应保证完全等同,否则也会给实验带来误差。当然,在滴加试液时,一定要一滴一滴地小心滴加。只有在一滴试液在水面上完全扩散后再滴加下一滴,不然,也会造成更大的实验误差,致使实验失败。

下面是化学科一个实验组测定结果的统计,供参考。

实验组测定结果统计表m=9854gVm=500ccVd=001667ccS=7065cm2人数12821d45464748N631×1023616×1023603×1023591×1023相对误差+482%+232%+017%-18%一个有关阿佛加德罗定律的演示实验

“阿佛加德罗定律”安排在高一年级,此时,由于学生刚进入高中,知识储备不足,接受这个抽象的概念有困难,所以必须加强直观教育,以提高教学效果。

对该定义的教学,江苏省溧阳中学李凤英老师介绍是按如下步骤进行的。

先演示一组实验(1)操作过程:取两个大小相同的注射器,在同样条件下分别收集一定体积的氨气和氯化氢气体,然后,用一段(约10厘米)夹有弹簧夹的乳胶管连接,松开弹簧夹,让两气体相遇,就可以看到有白烟出现,随之针筒内气体体积自行缩小。

(2)实验装置:

(3)实验记录实验序号反应前反应后HC1NH3HC1NH311体积1体积0体积0体积22体积1体积1体积0体积31体积2体积0体积1体积分析实验现象和数据

根据化学反应方程式NH3(气)+HCl(气)=NH4Cl(固)可知1分子NH3需和1分子HCl结合,(反应中生成的固体NH4Cl所占的体积,可以忽略不计,减少的气体体积,就是消耗的气体体积)。根据实验,1体积NH3和1体积HCl完全反应。由反应式和实验数据得出结论:在相同的温度和压强下,相同体积的不同气体,含有相同数目的分子。

揭示定律

再告诉学生,科学家经过许多次实验,发现“在相同温度和压强下,相同体积的任何气体都含有相同数目的分子。”这就是着名的阿佛加德罗定律。

阿佛加德罗常数测定实验

阿佛加德罗常数(N)是一个重要的物理化学常数,其数值是6023×1023。

目前,测定阿佛加德罗常数有十多种方法。例如,根据悬浮粒子的竖向分布情况,利用分子运动学说导出的测高定律,可以算出阿佛加德罗常数;根据电子的电荷数,利用法拉第定律,也可以算出阿佛加德罗常数。但是,这些方法因所需设备和实验条件要求较高,不便在中学推广。广州市中小学教材编写组陈华乐老师介绍了“单分子膜”简易测定法。这一方法是根据硬脂酸在水面上形成单分子膜的原理设计的。

只需教师为学生配制出准确浓度的试样溶液,学生就可以顺利地进行实验。通过这个实验,将有助于学生深入理解阿佛加德罗常数的含义及其应用。

实验原理

硬脂酸能溶于苯,而难溶于水;而苯的沸点低,易挥发,同时苯又难溶于水。因此,将硬脂酸的苯溶液一滴一滴地滴到水面上的时候,硬脂酸的苯溶液一面向四周扩散,其中的苯一面挥发,溶解在苯里的硬脂酸随即在水面上定向排布形成单分子膜。

根据滴加的硬脂酸苯溶液中所含硬脂酸的质量以及它所覆盖的水面的表面积和每一个硬脂酸分子的截面积,就可以计算出一摩尔的硬脂酸所含的分子数——阿佛加德罗常数。

方法要点

(1)教师课前准备①准确称取0010~0015克硬脂酸,溶于苯,在容量瓶里配成50毫升的试样溶液(50毫升溶液可供五组学生实验使用)。

②选择或加工胶头滴管,使每滴硬脂酸苯溶液的体积约为002毫升。

(2)学生实验①测量滴管滴下的每滴硬脂酸苯溶液的体积。

在酸式滴定管里盛少量硬脂酸苯溶液,记下液面刻度以后,把滴管中的硬脂酸苯溶液往滴定管里滴入100滴,再记下液面刻度,计算每滴硬脂酸苯溶液的体积。

②计算水槽里水的表面积。

选择一个内径为30厘米左右的圆形玻璃水槽,在其高度的三分之二的地方做一个记号。用内卡钳在做了记号的水平面上,沿三个不同的方位测量水槽的内径,取其平均值,计算水槽盛水至记号处水的表面积。

③测定滴入水槽里硬脂酸苯溶液的滴数。

往上述盛水的水槽里滴入一滴硬脂酸苯溶液。这滴溶液在水面上迅速向四周扩散。当苯挥发完毕,再滴入一滴硬脂酸苯溶液。当滴下的溶液在水面上不再扩散,而形成透镜状的液滴时,停止滴加硬脂酸苯溶液。记下滴入的滴数。

第一次实验做完后,把水槽里的水倒掉,用水洗刷水槽内壁,注水至记号处,重复以上操作2~3次,计算滴入的滴数平均值。

结果计算

根据实验数据,按下列公式计算阿佛加德罗常数(N):

N=M·S·VW·A·Vd·1(d-1)式中:M——一摩尔硬脂酸的质量=28447克S——水槽里水的表面积=π×(水槽内径×12)2,(cm2)W——准确称取的硬脂酸质量(克)V——准确配制的硬脂酸苯溶液的总体积(毫升)Vd——每滴硬脂酸苯溶液的体积(毫升)d——实验时滴入的硬脂酸苯溶液的滴数A——每一个硬脂酸分子的截面积=22×10-15cm2如果实验所用的硬脂酸苯溶液、水槽和滴管都没有更换,则上式可简化为:

N=K·1d-1,式中K=M·S·VW·A·Vd。K是一个常数,可以事先计算出来。

为便于学生理解,计算阿佛加德罗常数时,也可以分步进行:

(1)计算水槽里水面上形成单分子膜时,硬脂酸的分子数(n)。

n=SA(2)计算水槽里水面上形成单分子膜时,硬脂酸的质量(m)。

m=每滴硬脂酸苯溶液所含硬脂酸的质量×(滴数-1)=WV·Vd·(d-1)(3)计算水槽里水面上每一个硬脂酸分子的质量(m′)。

m=mn(4)计算一摩尔硬脂酸所含的分子数(N)。

N=Mm′几点说明

(1)实验所用的硬脂酸和苯,都要尽可能采用纯度较高的试剂,以分析纯(AR)为好。苯里常含有少量水,因此要用无水氯化钙事先脱水。

(2)实验时,除了准确称取硬脂酸,准确配制硬脂酸的苯溶液,以及其他操作正确进行以外,还要做到“两小一大”,就是说,硬脂酸的用量要小,滴管滴下的每滴硬脂酸苯溶液的体积要小,水槽的内径则要尽量大些。上文提到的用量、规格,供参考。

(3)为了简便,测量滴管每滴苯溶液的体积时可不用滴定管改用10毫升量筒:用滴管滴入量筒中至2毫升刻度处,记下滴数;重复两三次,取平均值。

(4)实验室常用的玻璃水槽不是为测定阿佛加德罗常数设计的。因此,水槽的内径并不规格。为了减少实验误差,要选用较好的水槽,并在一定的高度处做上记号,使每次实验都能在水槽里同一水面上进行。换用不同水槽,应精确测量并计算出水的表面积(S)。

(5)滴入硬脂酸苯溶液时,在水槽中心附近的任何位置上滴下都可以,不必固定在一点上。

硬脂酸分子一旦铺满了水面,再多加一滴硬脂酸苯溶液,这滴溶液便不再扩散。当然,很有可能要耗去多加的那一滴溶液所含的硬脂酸的三分之一或者二分之一才能铺满水面。但由于形成透镜状的液滴究竟是多加的那一滴溶液的三分之二还是二分之一,是难于确证的。为此,一律将最后一滴硬脂酸苯溶液作为多加的一滴,计算时予以扣除。

(6)学生做完实验后,计算出的数值如为5×1023~7×1023,则均属良好。

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