CN107121449B - 一种理想气体常数的测定装置及方法 - Google Patents

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    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/14—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by using distillation, extraction, sublimation, condensation, freezing, or crystallisation

Abstract

本发明属于化学学科教学实践领域，具体是涉及一种理想气体常数的测定装置及方法。装置结构中，三颈瓶通过铁夹安装在铁架台上，三颈瓶瓶身置于水浴槽中；温度传感器、压力传感器和导管分别安装在三颈瓶的三个支管上并通过塞子密封，导管的末端伸入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中。依据公式R＝PV/nT＝PVM/mT计算出理想气体常数，公式中，V、M为固定值，m由差值计算或者，P和T通过温度传感器、压力传感器获得。本发明使用温度传感器、压力传感器，测定出三颈瓶内碘单质完全升华后的动态的压强和温度变化曲线，结合相关算法，可以直观地呈现出理想气体常数，并能明显地看出理想气体常数不受温度、压强影响的这一特点。

Description

一种理想气体常数的测定装置及方法
技术领域
本发明属于化学学科教学实践领域，具体是涉及一种理想气体常数的测定装置及方法。
背景技术
传统化学学科的教学实践中，针对理想气体常数的测定，根据公式R＝PV/nT，利用方程式Mg+H2SO4＝MgSO4+H2↑，称取Mg的质量计算出氢气的物质的量n，P为大气压，温度为常温下。
该实验方法可以粗略测定出理想气体常数，但尚存在以下三个问题：
①、实验中水蒸气会造成一定的误差；
②、镁条不纯或表面被氧化会带来一定的误差；
③、该实验不能直观地呈现出理想气体常数不受温度、压强影响的特点。
发明内容
为了解决传统测定理想气体常数的方法存在误差较大、不易操作、直观性差等缺点。本发明提供了一种理想气体常数的测定装置及方法，既可以直观地呈现出理想气体常数，又可以明显地看出理想气体常数不受温度、压强影响的这一特点。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：一种理想气体常数的测定装置，包括三颈瓶、铁架台、水浴槽、酒精灯、温度传感器、压力传感器、导管和烧杯，三颈瓶通过铁夹安装在铁架台上，三颈瓶瓶身置于水浴槽中，在水浴槽的下方通过酒精灯控制水浴槽内水的温度；温度传感器、压力传感器和导管分别安装在三颈瓶的三个支管上并通过塞子密封，导管的末端伸入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中，导管上设有止水夹。
利用上述装置测定理想气体常数的方法，步骤如下：
①、在三颈瓶中插入压力传感器和温度传感器，导管插入到盛有氢氧化钠溶液的烧杯中；
②、称量三颈瓶的质量，打开瓶塞，向其中加入少量碘单质，放好水浴槽和酒精灯；
③、打开止水夹，将三颈瓶整体没入水浴槽中，加热至三颈瓶底部没有碘单质固体为止，关闭止水夹，移开酒精灯并开始记录接下来一段时间内温度传感器、压力传感器的数值；
④、待三颈瓶冷却至室温，称此时三颈瓶的质量，两次质量差值即三颈瓶内此时含有碘单质的质量；
⑤、依据公式R＝PV/nT＝PVM/mT计算出理想气体常数，公式中，V为三颈瓶体积、为m三颈瓶两次质量差值、M为碘单质摩尔质量，压力P和温度T数值通过温度传感器、压力传感器获得。
作为本发明的理想气体常数的测定装置的另一种改进，装置还包括采集温度传感器、压力传感器数据的数据采集器，数据采集器将采集到的温度、压力数据传输至处理设备中，处理设备计算并显示出理想气体常数数值。
作为本发明的理想气体常数的测定方法的另一种改进，步骤如下：
①、在三颈瓶中插入压力传感器和温度传感器，导管插入到盛有氢氧化钠溶液的烧杯中，选择电脑作为处理设备，打开电脑中安装的威尼尔软件；
②、称量三颈瓶的质量，打开瓶塞，向其中加入少量碘单质，放好水浴槽和酒精灯；
③、打开止水夹，将三颈瓶整体没入水浴槽中，加热至三颈瓶底部没有碘单质固体为止，关闭止水夹，点击威尼尔软件上的“采集”按钮，移开酒精灯，采集一段时间后点击“停止采集”按钮；
④、待三颈瓶冷却至室温，称此时三颈瓶的质量，两次质量差值即三颈瓶内此时含有碘单质的质量；
⑤、向软件界面中输入三颈瓶体积(V)、三颈瓶两次质量差值(m)、碘单质摩尔质量(M)，软件结合采集的压力(P)和温度(T)数值，依据公式R＝PV/nT＝PVM/mT计算出理想气体常数。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明使用温度传感器、压力传感器，测定出三颈瓶内碘单质完全升华后的动态的压强和温度变化曲线，结合相关算法，可以直观地呈现出理想气体常数，并能明显地看出理想气体常数不受温度、压强影响的这一特点。
附图说明
以下结合实施例和附图对本发明作出进一步的详述。
图1是本发明的理想气体常数的测定装置的结构示意图。
图2是温度及气压变化曲线。
图3是测得的理想气体常数实验数据。
具体实施方式
本发明主要是运用数字实验测定理想气体常数：
①、实验装置
理想气体常数的测定装置结构如图1所示，三颈瓶5通过铁夹12安装在铁架台7上，三颈瓶5瓶身置于水浴槽4中，在水浴槽4的下方通过酒精灯6控制水浴槽内水的温度。
三颈瓶5的三个支管分别安装温度传感器11、压力传感器10和导管2，并通过塞子密封。导管2的末端伸入盛有氢氧化钠溶液的烧杯1中，并通过关闭夹持在导管2上的止水夹3暂时密闭三颈瓶内体系，并避免液体回流。
数据采集器8将采集的温度和压力数值传输至处理设备9中，处理设备9计算并显示出理想气体常数数值。为了更为直观的显示测定曲线及数值，通过在装有威尼尔配套软件的电脑上输入相关数据(m、V、M数值)，并实时采集温度和压力数值，从而构建出理想气体常数的函数曲线。
②、实验原理如下：
PV＝nRT
R＝PV/nT＝PVM/mT
P运用压力传感器可以直接测出；
V运用排水法可以测出容器(三颈瓶)体积；
T运用温度传感器可以直接测出；
m运用质量差测出三颈瓶内碘单质的质量。
碘单质在45℃时升华已比较明显，本发明在三颈瓶内放入过量的碘单质，并将三颈瓶完全浸入在水浴槽中的热水浴内(水温在90℃左右)，利用碘单质的升华赶尽三颈瓶内的空气，排出的空气及碘蒸汽通入氢氧化钠溶液中。待装置内碘单质完全升华，关闭止水夹，测定一段时间中装置内温度及气压变化曲线，再利用装置质量差计算出此时装置内的碘单质含量，在配套处理设备(如装有威尼尔配套软件的电脑)上输入相关数据(m、V、M数值)，从而构建出理想气体常数的函数曲线。
③、实验方法步骤：
1、如图1所示连接，在三颈瓶中插入压力传感器和温度传感器，导管插入到1mol/L氢氧化钠溶液中，打开电脑中的威尼尔软件(基于R＝PV/nT＝PVM/mT算出R值)。
2、称量三颈瓶(规格为251mL)的质量(含塞子及不可取下的连线)为352.602g。打开瓶塞，向其中加入约10g的碘单质，如图1所示连接好各部件。
3、打开止水夹，将三颈瓶整体没入水浴槽(温度约90℃)中，加热至三颈瓶底部没有碘单质固体为止，关闭止水夹，点击软件上的“采集”按钮，移开酒精灯，采集约3min。点击“停止采集”按钮。
4、待三颈瓶冷却至室温，称此时三颈瓶的质量(含塞子及不可取下的连线)为354.792g，即三颈瓶内此时含有碘单质的质量为2.190g。
5、点击软件“数据”栏中的“新计算栏”，在“参数”栏中输入“体积＝0.251L”、“质量＝2.190g”、“碘单质摩尔质量＝254.000g/mol”。在“公式”栏中输入“(碘单质摩尔质量*体积*”压力”)/(“温度”*质量)”，勾选“在实时读数时显示”，点击“完成”。
④、实验数据及结论
图2是温度及气压变化曲线，图3是测得的理想气体常数实验数据。从图2和3中可以看出，理想气体常数并不受温度和压力同时变化的影响，测出数据约为8.30kPa·L·mol-1·K-1，准确度达99.83％。
⑤、实验创新点
传统实验在进行理想气体常数测定时，存在误差大，且不能直观地呈现出理想气体常数不受温度、压强影响的特点。本实验利用碘蒸汽升华排出装置内的空气，有效地减少了误差。其次，本实验操作简单，测定出温度和压强数据后，直接在威尼尔软件中设置一下相关固定参数即可得出结果，直观明了。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种理想气体常数的测定方法，其特征在于，通过测定装置进行测定；
所述测定装置包括三颈瓶（5）、铁架台（7）、水浴槽（4）、酒精灯（6）、温度传感器（11）、压力传感器（10）、导管（2）和烧杯（1），三颈瓶（5）通过铁夹（12）安装在铁架台（7）上，三颈瓶（5）瓶身置于水浴槽（4）中，在水浴槽（4）的下方通过酒精灯（6）控制水浴槽内水的温度；温度传感器（11）、压力传感器（10）和导管（2）分别安装在三颈瓶（5）的三个支管上并通过塞子密封，导管（2）的末端伸入盛有氢氧化钠溶液的烧杯（1）中，导管（2）上设有止水夹（3）；
所述测定方法步骤如下：
①、在三颈瓶中插入压力传感器和温度传感器，导管插入到盛有氢氧化钠溶液的烧杯中；
②、称量三颈瓶的质量，打开瓶塞，向其中加入少量碘单质，放好水浴槽和酒精灯；
③、打开止水夹，将三颈瓶整体没入水浴槽中，加热至三颈瓶底部没有碘单质固体为止，关闭止水夹，移开酒精灯并开始记录接下来一段时间内温度传感器、压力传感器的数值；
④、待三颈瓶冷却至室温，称此时三颈瓶的质量，两次质量差值即三颈瓶内此时含有碘单质的质量；
⑤、依据公式R = PV/nT =PVM/mT计算出理想气体常数，公式中，V为三颈瓶体积、m为三颈瓶两次质量差值、M为碘单质摩尔质量，压力P和温度T数值通过温度传感器、压力传感器获得。
2.如权利要求1所述的测定方法，其特征在于，所述测定装置还包括采集温度传感器（11）、压力传感器（10）数据的数据采集器（8），数据采集器（8）将采集到的温度、压力数据传输至处理设备（9）中，处理设备（9）计算并显示出理想气体常数数值。
3.如权利要求2所述的测定方法，其特征在于，所述测定方法步骤如下：
①、在三颈瓶中插入压力传感器和温度传感器，导管插入到盛有氢氧化钠溶液的烧杯中，选择电脑作为处理设备，打开电脑中安装的威尼尔软件；
②、称量三颈瓶的质量，打开瓶塞，向其中加入少量碘单质，放好水浴槽和酒精灯；
③、打开止水夹，将三颈瓶整体没入水浴槽中，加热至三颈瓶底部没有碘单质固体为止，关闭止水夹，点击威尼尔软件上的“采集”按钮，移开酒精灯，采集一段时间后点击“停止采集”按钮；
④、待三颈瓶冷却至室温，称此时三颈瓶的质量，两次质量差值即三颈瓶内此时含有碘单质的质量；
⑤、向软件界面中输入三颈瓶体积V、三颈瓶两次质量差值m、碘单质摩尔质量M，软件结合采集的压力P和温度T数值，依据公式R = PV/nT =PVM/mT计算出理想气体常数。
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