气体溶解度与压强关系实验设计
操作
①取一150ml锥形瓶,装入80~90ml的23%的食盐水;②用该盛有食盐水的锥形瓶,按向上排空法收集一瓶氯气,用橡胶塞塞好(注意,收集该瓶氯气时,应将导气管插入氯化钠溶液中);③再用一个空的集气瓶,收集一瓶氯气,并将该氯气转入50ml针筒中;④按如图1所示装置,连接好装置;图1⑤将针筒往里慢慢压,这时可看到锥形瓶中的气体(α),由淡黄绿变得更浓。固定针筒位置,约1~2分钟后,锥形瓶中气体颜色又变淡了些,这时,食盐水(b)也变成淡淡的黄绿色,这是部分氯气溶于水的结果。这说明,在一定温度下气体溶解度,随压强增大而增大。
⑥抽动针筒。将针筒慢慢往外拉,可看到,锥形瓶中气体颜色变淡,食盐水内部不断有小汽泡往上冒。气泡应是溶解在食盐水中的氯气,同时,锥形瓶中气体颜色又变浓了。这说明气体溶解度随压强减小而减小。
注意事项:
①各接头处应给予结紧,以免漏气影响效果;②抽、压过程应慢慢进行。
说明:
①本实验进行过程主要指气体逸出过程中,将锥形瓶倒挂,效果要比正立好。
②食盐水浓度,不宜太稀或太浓。
③针筒中气体体积比锥形瓶中气体体积大,效果较好。
④连接针筒与锥形瓶的玻管、橡胶管,比较细的为好。
溶解过程中吸热与放热现象实验的改进
测温计
江苏省南通县刘桥中学马继民老师在实验时用自制的测温计代替温度计,提高了实验的可见度。测温计(图2)由一支U形管(或用压强计代)、乳胶管、测温球管及木支架组成。使用时,先将U形管固定在支架上,注入染成红色的水(或酒精),用乳胶管将测温球与U形管连接起来,再把玻璃球浸入水中,在木板上记下左侧管中液柱的上限,然后向水中慢慢加入浓硫酸或硝酸铵晶体,并用玻璃棒搅拌,再将玻璃球浸在溶液中,可以看到U形管中的液面明显上升或下降。这是因为球内气体受热时体积膨胀,密闭部分气压升高,迫使左侧液面上升,反之气体遇冷时,气体体积缩小,压强减小,左侧液面下降。这与普通温度计相比具有显着的直观性。
由于测温计能测出微小的热量变化,因此在实验时可以大大减少药品的消耗。
测定硝酸钾溶解度实验的改进
原实验装置和方法存在的问题
用溶质质量法测定硝酸钾的溶解度,高之清老师介绍的做法是:
改进
(1)对课本装置的改进(见图3)。
图3说明:
①试管以25mm×150mm的为宜,锥形瓶用250ml,内盛约220ml水。
②缠绕试管的布条宽约2cm,其上缘要略低于试管口,下缘不得接触水浴液面;布条缠绕得松紧及厚薄以既能支撑试管,又能使锥形瓶内的气体顺利通过为宜。
③搅拌器用玻璃管(外径7~8mm,长约250mm)自制。先把玻璃管的一端在酒精喷灯的火焰上烧至红软,然后用钳子(或大号摄子)将其前端6~7mm长的一段捏扁并弯成直角,同时从另一端吹气,以免该端被完全封死,再在另一端做出卷边,安上胶帽即可,用它可向试管内送(加)硝酸钾晶体及搅拌溶液,挤捏胶帽,使试管内液体形成对流,达到搅拌的目的,也可上下抽动,搅拌溶液。
④倾倒硝酸钾饱和溶液时,只需把搅拌器及温度计取出,手持锥形瓶,将试管内的溶液倾入蒸发皿即可。
(2)蒸发除水时,采用沙浴加热(待快蒸发干时改用小火),以防溶液溅出,硝酸钾分解及晶粒蹦出。
(3)称量蒸发皿时,每次都将蒸发操作时用的玻璃棒一并称量,这样既可避免刮除玻璃棒上粘的硝酸钾的麻烦,又可减少硝酸钾的损失。
(4)为使操作方便,可将稍多于理论量的硝酸钾晶体一次加入试管内,恒温时间可延长至10分钟,并不断“搅拌”,以使整个溶液都达到饱和。
优点
改进后的装置简单,操作方便、安全,实验结果准确度高;利于培养学生规范操作及严谨的科学实验态度。
有趣的溶解热实验
不同的物质,它的溶解热是不同的,王一川、冯裔老师用下列两个实验说明之。
仪器和药品
150毫升烧杯,水浴锅,量筒,试管,玻璃棒,表面皿,无水氯化钙30克,碘化钾120克,氯化钠44克,冰300克。
实验步骤
(1)在150毫升烧杯中,放入100毫升蒸馏水,加热到90℃,加入30克无水氯化钙,立即盖上表面皿,可见水立即沸腾起来。
(2)在2只800毫升烧杯中,分别放入300毫升蒸馏水和150克碎冰,各放一温度计,在搅拌的情况下同时放入125克碘化钾和44克氯化钠(两者是等物质的量)大约2分钟,加氯化钠的烧杯的冰全部溶解,而加碘化钾的冰几乎一点不溶解,读出温度计度数。
讨论
(1)第1个实验,是由于无水氯化钙溶于水时,会大量放出水合热,从而使溶液沸腾。如果,及时测量温度,就可发现此时温度超过水的沸点。
(2)第2个实验,由于碘化钾溶解是一吸热过程,因此不能使杯里冰熔化,而氯化钠溶解放热,所以冰就很快熔化了。用这个实验可以在教学中向学生说明溶解热的应用。有实际应用的是散热袋的制作。
测定硝酸钾在水里的溶解度的误差
“测定硝酸钾在水里的溶解度”是中学阶段第一个较复杂的定量实验。要求测出较准确的数据,难度要大一些。在“测定硝酸钾在水里的溶解度”实验中,按教材所述实验步骤进行操作,结果误差较大,湖南铁四局六处汨罗铁中邰旭燕、谭明锡老师分析主要存在两方面问题:
一是温度较低时(10℃),测得溶解度比理论值小。原因可能有三个:主要原因是硝酸钾溶液未饱和。教材上说硝酸钾固体五分钟不再溶解就证明溶液饱和了。事实上,硝酸钾在温度较低的情况下,溶解速度慢,不容易看出是否还在溶解;第二个原因是:蒸发硝酸钾饱和溶液时,局部过热,部分晶体分解:
4KNO3△2K2O+4NO↑+3O2↑2KNO3670℃2KNO2+O2↑这个误差虽小,但也不容易忽视;第三个原因是蒸发饱和溶液时,硝酸钾固体爆溅。
二是温度高时(30℃以上)测得溶解度偏大,而且温度愈高,误差愈大。原因可有:
①饱和溶液转移时,把未溶解的硝酸钾晶体倒入了蒸发皿。这是主要原因。溶解硝酸钾的过程中,试管壁上不可避免地要附上硝酸钾固体,倾倒饱和溶液时就会进入蒸发皿。另外,倾倒饱和溶液时为了防止试管底部未溶解的固体倒出,往往用玻璃棒挡在试管口,玻璃棒是前面用来搅拌硝酸钾溶液的,从溶液中取出时,玻璃棒上就有晶体析出,倾倒时便被引入蒸发皿,造成误差。测定温度愈高,与室温差愈大,玻璃棒上析出的晶体愈多,误差也愈大。
②蒸发饱和溶液时水分未蒸发完。
③操作过程中渗入了杂质。
要使实验准确,应注意以下几点:
①在一大试管中先加入足量硝酸钾晶体,再加水,以免硝酸钾晶体附在管壁上。
②水不宜过多,10毫升就可以了。太多浪费药品;再者,水浴中的水不能把整个溶液淹没,溶液温度不均匀。
③温度计应插在溶液的中部,使所示温度具有代表性。
④搅拌溶液换用滴管(用挤压橡皮球方式搅拌)。滴管,温度计不要拿出溶液,以免硝酸钾结晶。
⑤硝酸钾固体溶解时,浓溶液和稀溶液间可见明显的散水纹。故搅拌时可通过观察水纹来判断硝酸钾是否继续溶解。如果没有水纹了,表明硝酸钾晶体不再溶解了。溶液已饱和。
⑥溶液温度要控制好,不要超过测定温度太大。防止在冷却过程中形成细小颗粒来不及沉降,以至于将细小颗粒连同饱和溶液取出,造成误差。
⑦用滴管(前面用来搅拌的)在温度计水银球附近取饱和溶液,使所取溶液具有代表性,这样也可避免未溶解的硝酸钾固体被取出。取溶液时要快,防止硝酸钾析出。
⑧蒸发饱和溶液要防止硝酸钾固体飞溅。加热后期要移动酒精灯,将水分除尽。硝酸钾熔化时应停一会儿再加热,以免硝酸钾分解。加热除水应重复几次,称至恒重。
注意以上几点,测得的溶解度较准确。现将实验记录摘录如下:
测定温度30°C蒸发皿质量84.55(克)(饱和溶液+蒸发皿)质量96.33(克)(硝酸钾固体+蒸发皿)质量88.25(克)饱和溶液质量11.78(克)硝酸钾固体质量3.7(克)溶剂(水)质量8.08(克)测得溶解度41.79(克)理论值45.8(克)相对误差(45.8-45.79)/45.8×100%=0.022%