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第10章 关于分子原子理论的实验操作和改进

证明分子运动及比较气体密度的装置

操作步骤

(1)在一大烧杯中,固定一多孔塑料瓶(瓶上用针刺满孔),在塑料瓶上配一带有的弯管的塞子。

(2)在弯管内注入滴有红墨水的水溶液,使a、b两边液面相同。

(3)向大烧杯中不断通入二氧化碳气体,一会儿,看到弯管中a、b液面有变化:a处液面下降,b处液面上升。

现象说明

(1)分子在不断运动。

(2)二氧化碳气体密度较空气的密度大。

(3)分子量不同的气体,其扩散速度不一样。

A树枝B泡沫块C滤纸D氨水4-多孔塑料瓶5-红色溶液(与2同)6-大烧杯此实验现象较教材中:在天平上比较二氧化碳与空气的密度实验要直观、明显,避免那种有时由于天平不太灵敏,全班学生看不到的情况;同时激发了学生的学习兴趣;两种无色、无味的气体,却能通过红色液面变化情况来说明问题;再则,比较适合于条件较差的农村中学,使得废物利用(废塑料瓶,用透明塑料弯管代替玻璃管)。

同样方法,进行较空气轻的气体实验。将大烧杯倒置,多孔塑料瓶上配一弯管,调节弯管内c、d两液面相同,然后向大烧杯内不断通入氢气,一会儿可发现c、d液面有变化:

c处液面上升,d处液面下降,此现象较教材中吹肥皂泡的方法简单,明了,可靠。

说明

(1)操作简单、现象明显、可靠性高。

(2)该装置对于那些在水中溶解度较大的气体(如NH3、HCl气体)不适用。适用于那些在水溶解度小,不易或难溶于水的气体。

(3)对于那些气体与空气密度相近(如N2等),该装置不适用,因为弯管中液面变化不明显。

镁的相对原子质量的测定微型化实验

置换法测定镁的相对原子质量的实验是师范院校化学专业无机化学实验的重要内容。按教材进行实验,药品用量大,操作麻烦,因此,一般情况下都是采取二人一组进行操作。为此,贵阳师专化学系申德君杜超老师对该实验进行了微型化设计的改革。

实验装置及药品

实验步骤

准确称取用砂纸擦去氧化膜的镁条0007-0009克。装配好仪器,检查气密性。

用一支多用滴管(1滴=002毫升)吸入4mol·L-1HCl,往微型小试管中滴入30滴,将镁条放到胶皮管中用弹簧夹夹住,然后与装有盐酸的微型小试管连接。

①量筒,②烧杯,③弹簧夹,④微型小试管,⑤橡皮塞,⑥胶皮管,⑦4mol·L-1盐酸,⑧水将装满水的量筒倒入有一定量水的烧杯中,(量筒内无气泡)把装好镁条的试管塞进量筒,(塞子与量筒嘴间有空隙,可以排水)取下弹簧夹,使镁条与盐酸接触,这时由于反应产生的氢气进入量筒中,把量筒的一部分水排到烧杯中。镁条完全反应之后,静置5分钟,待量筒冷却到室温后,轻轻敲击量筒外壁,把可能附着在内壁的气泡赶至上面空间。扶直量筒,并始终使量筒口浸没在水面下,上下移动量筒,使量筒内水面与烧杯的液面相平,这时量筒内气体的压力与大气压力相等。读出量筒内气体的体积。由于气体的测量是在倒置的量筒内进行的,故仍按液体弯月面凹点切线读数。不过测出体积较实际气体体积多020毫升,故氢气体积VH2=体积读数-020毫升。

记录室温和大气压,查出室温时饱和蒸气压。

实验过程中的注意事项

(1)把装好镁条的试管口塞进量筒时,该操作是在装有水的烧杯中进行的。为避免气体出口管无气泡,则气体出口管径不应太大。

(2)利用塞子与量筒嘴间的空隙而排水。因此在操作过程中,塞子与量筒之间不应塞得太紧。否则排水的速度太慢,造成反应器内的压强增大,使微型小试管与胶皮管脱离而漏气。

(3)量筒的刻度是按量筒底部平放桌面时读数来进行标定的,此时,筒内液面弯月面凹向量筒底部。在倒置量筒情况下,读数液面弯月面是凹向量筒口,即凸向筒底的,这时,如仍按液体弯月面凹点切线读数,则测得数字比实际气体体积要大020毫升实验改进后的优点

(1)药品用量少;(2)装置简单,操作方便;(3)速度快,现象明显;(4)效果好,适用于学生单独操作。

分子量测定的实验改进

粘度与浓度的关系

实验步骤:

(1)测定两烧瓶体积,检查装置的气密性,已知体积的浓硫酸投放,且Ⅱ瓶上口能空15-2厘米与通Ⅰ并导管口不接触。

(2)记录实验前温度T1与体系中空气体积V1(V1=烧瓶总体积——硫酸体积)。

(3)精确量取05ml四氯化碳于Ⅰ瓶,并加热水浴。

(4)记录四氢化碳完全气化时温度T2和排出硫酸体积VH2SO4。

数据处理:

令V1+VH2SO4=V2据PV=nRT有n空气=PV1RT1n空气+nCCl4=PV2RT2得:nCCl4=PV2RT2-PV1RT1而M=Wn所以:MCCl4=d·Vccl4液PV2RT2-PV1RT1(式中d:CCl4液体密度:1595克/厘米3;VCCl4液为05毫升,P为1大气压。R:0082升·大气压/摩尔·升)有关数据代入化简得:

MCCl4=00654T1T2V2T1-V1T2(克/摩尔)分子式和反应方程式的测定

分子式测定的实验

(1)氧化铜分子式的测定——称量法

用一硬质玻璃管,管的末端开一个孔,称其重量。在管内放入少量的氧化铜,再称其重量。所示装置好仪器,然后将气体通入仪器(在管内尚未完全充满气体之前切勿点燃喷口)。加热管子并燃烧过剩的气体,氧化铜被还原(像水一样氧气被移去)。当所有的气化铜被还原成铜时(这时黑色粉末转变成棕色),停止加热但继续通入气体,直到管子冷却为止,否则,进入管内的空气将再氧化单质铜。切断气体供应,并再称其重量。

氧化铜分子式的测定

管子的质量=900g管子的质量+氧化铜=1025g管子的质量+铜=1000g氧化铜的质量(1025-900)=125g铜的质量(1000-900)=100g氧的质量(125-100)=025g因此,1克铜和025克氧化合。由于铜的原子量是64,氧的原子量是16。所以铜和氧的质量不能直接代表它们原子的质量,这些质量转换为原子的质量,必须除以它们各自的原子量。

1克铜表示为164=0015单位的铜;025克氧表示为02516=0015单位的氧。因为原子的“部分”是不存在的,所以上面计算出来的单位的最小数目一定代表一个原子。

因此,在氧化铜中铜的原子数0015/0015=1,在氧化铜中氧的原子数是0015/0015=1所以,氧化铜的实验式是CuO。

(2)水分子式的测定——气体合成法:

氢气和氧气生成水蒸汽,测定水分子式的实验。

量气管

量气管是由一个有刻度支管的U形管组成的,在这支管顶端内插有两根铂丝电极,用一外套管围住,顶部开口处有一三孔活塞。

供应气体之前,连接顶部的活塞开向通外部,并把水银面调节到水银充满刻度管。然后将氢气通入管内,并读数;调节二个管内的水银面直至它们相等,再通入氧气,并调节水银面再一次水平相等后读数。戊醇蒸气(bp130℃)通入外套管内使水变成水蒸汽。然后在两个铂电极之间放电发生氢气和氧气的化合,使仪器冷到室温,所形成的水蒸汽将冷凝到一个极微小的体积。记录气体的最后体积,鉴定过剩的气体是氢气还是氧气。

结果:氢气开始的体积=10cm3氧气开始的体积=7cm3冷却后的体积=2cm3这气体被确定为氧气所以,10cm3的氢气和(7cm3-2cm3)=5cm3的氧气化合,即2体积的氢气和1体积氧气化合得到水。根据阿佛加德罗定律,2个分子的氢和1分子的氧化合成水,2H2+O2=2H2O。

(3)氯化铅分子式的测定——摩尔溶液:

稀盐酸加入硝酸铅

把形成沉淀的高度氯化铅分子式测定的实验:制备01M硝酸铅溶液和01M的盐酸溶液,在9个试管内各加入了4cm3硝酸铅溶液,在Ⅰ试管中加入1cm3的酸,Ⅱ试管中加入2cm3酸,以此类推……直至在Ⅸ试管中(最后一只)加入9cm3的硝酸铅为止。离心这些试管使氯化铅紧密的沉积下来,测量这些沉淀的高度。沉淀的高度能设想与沉淀的质量成正比。

在加入6cm3盐酸的那个试管中,得到氯化铅的最大值,再多加酸不能增加氯化铅沉淀,因为硝酸铅已经被用完了,所以1摩尔硝酸铅需要2摩尔的盐酸,从化合价表中找到了硝酸铅的分子式是Pb(NO3)2,所以方程式的前面部分的反应物是Pb(NO3)2+2HCl。这反应的平衡方程式是Pb(NO3)2+2HCl=PbCl2+2HNO3。因此氯化铅的分子式必须是PbCl2。

反应方程式测定的实验

(1)直接称量法——测定镁和氧之间反应方程式的实验。

称出一连盖子坩埚的重量,在坩埚内放入少量镁再称其重量,这坩埚在泥三角架上加热,不时移去盖子以允许空气进入,当反应结束,坩埚冷却后再称其重量。

结果:坩埚的质量=180g坩埚的质量+Mg=192g坩埚的质量+MgO=200g镁的质量=192-180=12g氧的质量=200-192=08g由12g镁和08g氧化合来计算与1摩尔镁化合所需氧的质量。

12g镁和08g氧化合24g镁和0812×24=16g氧化合因此,1摩尔的镁和1摩尔的氧原子化合所生成的分子式必定是MgO所以,这反应的方程式必定是:

2Mg+O2=2MgO。

(2)气体体积测定法——测定碳酸钙和稀盐酸之间反应方程式的实验:

仪器装置,在这试管内盛以稀盐酸(这是反应所需的过量的酸),称取约02g大理石(碳酸钙)加入试管内并迅速塞好塞子。放出的CO2将使注射器活塞移动,当反应结束后,测量放出气体的体积(为了得到精确计算,必须在计算进行之前先把这气体体积纠正到STP,现在忽略了这一步)。

结果:碳酸钙的质量=018gCO2的体积=403cm3碳酸钙的分子式是CaCO3,它的分子量是40+12+(3×16)=100。所以018gCaCO2=018/100=00018mole。

1mole的CO2占有224升(阿佛加德罗定律)故403cm3CO3=403/22400=00018mole。

因此,1mole的碳酸钙放出1mole的CO2,我们假定在反应时形成氯化钙和水,所以反应是:

碳酸钙+盐酸-→氯化钙+二氧化碳+水,像CaCO3→CO2平衡方程式只能是:CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2+H2O。

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