本發(fā)明屬于化學(xué)學(xué)科教學(xué)實(shí)踐領(lǐng)域，具體是涉及一種理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)化學(xué)學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，針對(duì)理想氣體常數(shù)的測(cè)定，根據(jù)公式r＝pv/nt，利用方程式mg+h2so4＝mgso4+h2↑，稱取mg的質(zhì)量計(jì)算出氫氣的物質(zhì)的量n，p為大氣壓，溫度為常溫下。

該實(shí)驗(yàn)方法可以粗略測(cè)定出理想氣體常數(shù)，但尚存在以下三個(gè)問(wèn)題：

①、實(shí)驗(yàn)中水蒸氣會(huì)造成一定的誤差；

②、鎂條不純或表面被氧化會(huì)帶來(lái)一定的誤差；

③、該實(shí)驗(yàn)不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)測(cè)定理想氣體常數(shù)的方法存在誤差較大、不易操作、直觀性差等缺點(diǎn)。本發(fā)明提供了一種理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置及方法，既可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)，又可以明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的這一特點(diǎn)。

為解決本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為：一種理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置，包括三頸瓶、鐵架臺(tái)、水浴槽、酒精燈、溫度傳感器、壓力傳感器、導(dǎo)管和燒杯，三頸瓶通過(guò)鐵夾安裝在鐵架臺(tái)上，三頸瓶瓶身置于水浴槽中，在水浴槽的下方通過(guò)酒精燈控制水浴槽內(nèi)水的溫度；溫度傳感器、壓力傳感器和導(dǎo)管分別安裝在三頸瓶的三個(gè)支管上并通過(guò)塞子密封，導(dǎo)管的末端伸入盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，導(dǎo)管上設(shè)有止水夾。

利用上述裝置測(cè)定理想氣體常數(shù)的方法，步驟如下：

①、在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中；

②、稱量三頸瓶的質(zhì)量，打開(kāi)瓶塞，向其中加入少量碘單質(zhì)，放好水浴槽和酒精燈；

③、打開(kāi)止水夾，將三頸瓶整體沒(méi)入水浴槽中，加熱至三頸瓶底部沒(méi)有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，移開(kāi)酒精燈并開(kāi)始記錄接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)溫度傳感器、壓力傳感器的數(shù)值；

④、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時(shí)三頸瓶的質(zhì)量，兩次質(zhì)量差值即三頸瓶?jī)?nèi)此時(shí)含有碘單質(zhì)的質(zhì)量；

⑤、依據(jù)公式r＝pv/nt＝pvm/mt計(jì)算出理想氣體常數(shù)，公式中，v為三頸瓶體積、為m三頸瓶?jī)纱钨|(zhì)量差值、m為碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量，壓力p和溫度t數(shù)值通過(guò)溫度傳感器、壓力傳感器獲得。

作為本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置的另一種改進(jìn)，裝置還包括采集溫度傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器將采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù)傳輸至處理設(shè)備中，處理設(shè)備計(jì)算并顯示出理想氣體常數(shù)數(shù)值。

作為本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測(cè)定方法的另一種改進(jìn)，步驟如下：

①、在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到盛有氫氧化鈉溶液的燒杯中，選擇電腦作為處理設(shè)備，打開(kāi)電腦中安裝的威尼爾軟件；

②、稱量三頸瓶的質(zhì)量，打開(kāi)瓶塞，向其中加入少量碘單質(zhì)，放好水浴槽和酒精燈；

③、打開(kāi)止水夾，將三頸瓶整體沒(méi)入水浴槽中，加熱至三頸瓶底部沒(méi)有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，點(diǎn)擊威尼爾軟件上的“采集”按鈕，移開(kāi)酒精燈，采集一段時(shí)間后點(diǎn)擊“停止采集”按鈕；

④、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時(shí)三頸瓶的質(zhì)量，兩次質(zhì)量差值即三頸瓶?jī)?nèi)此時(shí)含有碘單質(zhì)的質(zhì)量；

⑤、向軟件界面中輸入三頸瓶體積(v)、三頸瓶?jī)纱钨|(zhì)量差值(m)、碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量(m)，軟件結(jié)合采集的壓力(p)和溫度(t)數(shù)值，依據(jù)公式r＝pv/nt＝pvm/mt計(jì)算出理想氣體常數(shù)。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

本發(fā)明使用溫度傳感器、壓力傳感器，測(cè)定出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)完全升華后的動(dòng)態(tài)的壓強(qiáng)和溫度變化曲線，結(jié)合相關(guān)算法，可以直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)，并能明顯地看出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的這一特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步的詳述。

圖1是本發(fā)明的理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是溫度及氣壓變化曲線。

圖3是測(cè)得的理想氣體常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明主要是運(yùn)用數(shù)字實(shí)驗(yàn)測(cè)定理想氣體常數(shù)：

①、實(shí)驗(yàn)裝置

理想氣體常數(shù)的測(cè)定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，三頸瓶5通過(guò)鐵夾12安裝在鐵架臺(tái)7上，三頸瓶5瓶身置于水浴槽4中，在水浴槽4的下方通過(guò)酒精燈6控制水浴槽內(nèi)水的溫度。

三頸瓶5的三個(gè)支管分別安裝溫度傳感器11、壓力傳感器10和導(dǎo)管2，并通過(guò)塞子密封。導(dǎo)管2的末端伸入盛有氫氧化鈉溶液的燒杯1中，并通過(guò)關(guān)閉夾持在導(dǎo)管2上的止水夾3暫時(shí)密閉三頸瓶?jī)?nèi)體系，并避免液體回流。

數(shù)據(jù)采集器8將采集的溫度和壓力數(shù)值傳輸至處理設(shè)備9中，處理設(shè)備9計(jì)算并顯示出理想氣體常數(shù)數(shù)值。為了更為直觀的顯示測(cè)定曲線及數(shù)值，通過(guò)在裝有威尼爾配套軟件的電腦上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(m、v、m數(shù)值)，并實(shí)時(shí)采集溫度和壓力數(shù)值，從而構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

②、實(shí)驗(yàn)原理如下：

pv＝nrt

r＝pv/nt＝pvm/mt

p運(yùn)用壓力傳感器可以直接測(cè)出；

v運(yùn)用排水法可以測(cè)出容器(三頸瓶)體積；

t運(yùn)用溫度傳感器可以直接測(cè)出；

m運(yùn)用質(zhì)量差測(cè)出三頸瓶?jī)?nèi)碘單質(zhì)的質(zhì)量。

碘單質(zhì)在45℃時(shí)升華已比較明顯，本發(fā)明在三頸瓶?jī)?nèi)放入過(guò)量的碘單質(zhì)，并將三頸瓶完全浸入在水浴槽中的熱水浴內(nèi)(水溫在90℃左右)，利用碘單質(zhì)的升華趕盡三頸瓶?jī)?nèi)的空氣，排出的空氣及碘蒸汽通入氫氧化鈉溶液中。待裝置內(nèi)碘單質(zhì)完全升華，關(guān)閉止水夾，測(cè)定一段時(shí)間中裝置內(nèi)溫度及氣壓變化曲線，再利用裝置質(zhì)量差計(jì)算出此時(shí)裝置內(nèi)的碘單質(zhì)含量，在配套處理設(shè)備(如裝有威尼爾配套軟件的電腦)上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(m、v、m數(shù)值)，從而構(gòu)建出理想氣體常數(shù)的函數(shù)曲線。

③、實(shí)驗(yàn)方法步驟：

1、如圖1所示連接，在三頸瓶中插入壓力傳感器和溫度傳感器，導(dǎo)管插入到1mol/l氫氧化鈉溶液中，打開(kāi)電腦中的威尼爾軟件(基于r＝pv/nt＝pvm/mt算出r值)。

2、稱量三頸瓶(規(guī)格為251ml)的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為352.602g。打開(kāi)瓶塞，向其中加入約10g的碘單質(zhì)，如圖1所示連接好各部件。

3、打開(kāi)止水夾，將三頸瓶整體沒(méi)入水浴槽(溫度約90℃)中，加熱至三頸瓶底部沒(méi)有碘單質(zhì)固體為止，關(guān)閉止水夾，點(diǎn)擊軟件上的“采集”按鈕，移開(kāi)酒精燈，采集約3min。點(diǎn)擊“停止采集”按鈕。

4、待三頸瓶冷卻至室溫，稱此時(shí)三頸瓶的質(zhì)量(含塞子及不可取下的連線)為354.792g，即三頸瓶?jī)?nèi)此時(shí)含有碘單質(zhì)的質(zhì)量為2.190g。

5、點(diǎn)擊軟件“數(shù)據(jù)”欄中的“新計(jì)算欄”，在“參數(shù)”欄中輸入“體積＝0.251l”、“質(zhì)量＝2.190g”、“碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量＝254.000g/mol”。在“公式”欄中輸入“(碘單質(zhì)摩爾質(zhì)量*體積*”壓力”)/(“溫度”*質(zhì)量)”，勾選“在實(shí)時(shí)讀數(shù)時(shí)顯示”，點(diǎn)擊“完成”。

④、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖2是溫度及氣壓變化曲線，圖3是測(cè)得的理想氣體常數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖2和3中可以看出，理想氣體常數(shù)并不受溫度和壓力同時(shí)變化的影響，測(cè)出數(shù)據(jù)約為8.30kpa·l·mol^-1·k^-1，準(zhǔn)確度達(dá)99.83％。

⑤、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行理想氣體常數(shù)測(cè)定時(shí)，存在誤差大，且不能直觀地呈現(xiàn)出理想氣體常數(shù)不受溫度、壓強(qiáng)影響的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)利用碘蒸汽升華排出裝置內(nèi)的空氣，有效地減少了誤差。其次，本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，測(cè)定出溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)后，直接在威尼爾軟件中設(shè)置一下相關(guān)固定參數(shù)即可得出結(jié)果，直觀明了。

以上內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思所作的舉例和說(shuō)明，所屬本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的構(gòu)思或者超越本權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。