一种用置换法测镁相对原子质量的新方法

第24卷第6期大学化学2009年12月一种用置换法测镁相对原子质量的新方法刘晟波虞春妹（苏州科技学院化学与生物工程学院江苏苏州215009）摘要 采用简单实验装丸在賈换法的基础上提出了一种测镁相对原子质虽的新方法一 排状称觅量气法。该方法实验精度较高，相对溟差0.08%，克服了某些容易产生的系统误差。自1919年质谱仪出现并经过不断改进，利用质谱仪已能精确测定元素相对原子质量。但 在质谱法之前多采用化学法。目前大学化学实验教材;中有关于化学法测定镁的相对原子 质量的实验，所用的方法为直换法。原理如下：Mg + H2SO4（iltt）MgS04 + H2 T利用气体方程可求出出的物质的呈,进而可计算岀镁的摩尔质吊，从而也就求得了镁的相对 原子质量。此方法的关键是测定氢气分压及体积。用大气圧减实验温度下的水的饱和蒸气压即得氢 气分压，用量气管可以测定体积。由于体积和压强都能梢确测定,因此实验简单易行。但按此 方法进行实验，实验结果与标准值淚差较大。高宗华等人认为,原方法中忽略了空气影响造成的较大误差，因此他们通过改变连 接骨的长度来改变体系中的空气的就，得出了体系中空气就越少，数据越准确的结论；高宗 华、范云裁等人还对镁条的用S：进行了研究，得出了镁条的用宦应适就（2428m尹】， 40 45mg）的结论;郭士城等将原实验装置中的小试管改为离心管，将三角漏斗改为干燥 管,使操作尤其是调水平环节更为方便，减小了人为误差。此外,文献对实验的温度并未作详 细研究，只是认为，体系温度应降至室温。尽管有了上述诸多改进，但实验误差还是较大。原因可能为：由于实验中空气“死体积” 的存在，导致水璨气向空气中扩散;实验时需要等待较长时间才能冷至室温，受气温波动影响 较大;调整液面高度的操作，对气体体积有所改变,很难保证水蒸气饱和，且操作也不方便。针 对以上问题，我们提出了一种新的实验方法一排液称重虽:气法，此方法隔绝空气，易于恒温, 反应生成的氢气上升至反应容器顶部，从而将部分反应液从导管中排岀，对排出液进行称量即 可计算出气体的体积。因而此方法能克服操作、空气、温度等因索对实验结果的影响,而且镁 的用量对实验也无较大电响。1实验部分11试剂、材料及仪器 111试剂浓硫酸及镁带均为分析纯。49511.1.2材料砂皮纸、抹布、玻璃管、打孔器、剪刀、橡皮塞、玻璃缸、胶头滴管、细口瓶(500mL).烧杯 (lOOOmL)、容量瓶(100mL)、温度计(0 100T：)、滴瓶(125 mL)、滴瓶(60 mL)、尺(200mm)01.13仪器电子分析天平,JA2004型，梢度0. 1吨；电子秤,J A12002型，箱度O.Oig;福延式气压计， YP-1 型，精度 0.01 kPa。1.2实验步骤(1) 配制硫酸稀溶液。将4.5mL浓硫酸稀释到500mL,冷至室温备用。因溶解在稀硫酸 中的空气对实验不利，可通氢气驱走;简便方法是用O.lg镁条，绕在玻璃棒上,伸入稀硫酸的 底部,让反应生成的出驱赶溶解空气。再重复2次以上操作，即可将溶解空气赶尽。另外，镁 带若在10min内完全反应，说明反应速度偏快，应加水稀释，使镁带在10 15min之间完全溶 解。(2) 镁条的处理及称取。镁条表面有氧化物，应先用酸溶解表面的氧化物,用纸擦干后再 用砂纸将镁条表面打光。剪取一段镁条，利用分析天平称量，准确至0 .lmg,记为m(Mg)。将 光亮镁条绕在带橡皮塞的玻璃管上，如图lo(3) 反应与排液。将细口瓶内盛满稀硫酸，迅速将缠绕镁条的带橡皮塞的玻璃管插人细 口瓶中，此时镁条匕产生的细小气泡缓慢上升,在氢气上升到瓶口以前就盖严瓶塞，并保证瓶 塞处无空气。待反应结束后，用尺蜀液位高度人(图1)。实验操作过程(4) 称重量气。将细口瓶表面液体擦干，称重，记为m测。以下几个量应在实验前测岀:细口瓶及带橡皮塞的玻璃管的质量之和，记为;稀 硫酸的密度d：准确称取100.00mL此稀硫酸质量，计算其密度，单位g/nLo细口瓶的容积 %:将细口瓶中加满上述稀硫酸，用带橡皮塞的玻璃管摘人压紧，将细口瓶表面液体擦干，称 重，记为m,则v产(叭叫)/札 出的体积v(h2)可用F式计算:V(H2) =vo-(rnm -mQ)/d在大量的酸中溶了少童镁条时，稀硫酸的密度几乎不变。(5) 读出大气压p。测余酸的温度几此值即为氢气的温度，单位K。(6) 査表,计算。査岀温度尸下水的蒸气压p水。在读气压的同肘读出室温，查表得到该 室温下此气压的温度校正值P“査询实验地的纬度和海拔高度，查表得纬度校正值p伟和海拔校正值P再计算出液柱校正值P滾二dgh（g为实验地重力加速度），则气压校正值p校-Po + Pn协伟+叶+巾,此即为氢气的压强（各压强的单位均为kPa）。计算氢气的物质的fin（H2） =（%-卩水）弘）/刃,即等于镁的物质的址“（Mg）。再计算镁的摩尔质量M（Mg）= m（ Mg）/n（ Mg）（单位：g），其在数值上等于镁的相对原子质量（因实验精度为4位有 效数字，故标准值也取4位有效数字24.31）,相对误差= （Af（Mg） -24.31）/24.31 x 100% o2结果与讨论 2.1实验结果实验时选取不同容积的细口瓶，在镁的用量、气压、反应温度等不同条件下进行实验，实验 结果见表1。*1不同条件下镁的摩尔质的实测数据及计算结果序号-%V(2)m(Mg)P仗TP水n(H2)*：Mg) g 1Mg）的相对谋差%ml.mL哪kPaKkPammol11080.72J 66.61170.5101.76287.21.5956.99024.390.3321080.72199.92203.5101.80287.21.5958.39124.25-0.2531080.72151.53154.3101.74287.21.5956.35624.23-0.1241080.72143.60146.3101.73287.21.5956.02324.290.0851080.72180.41184.7101.76287.21.5957.56924.400.37平均值24.320.046588.52108.25102.798.50296.22.8024.20724.410.417588.52122.35116.398.53295.22.6374.78124.330.088588.52129.00123.598.54294.22.485.06724.380.299588.52131.45125.498.52294.22.485.16224.29-0.0810588.52271.45260.498.82293.22.33310.74624.23-0.33平均值24.330.0811128.7753.8748.799.34305.24.752.0082A.250.251212.7768.6162.799.40304.24.492.57524.350.1613128.8372.8166.599.52304.04.492.73824.29-0.0814128.8359.3954.699.48304.24.242.24124.360.21平均值24.310.001571.9?42.1938.599.30304.44.491.58424.310.001672.0741.4537.999.30304.24.491.55424.390.331772.7336.8133.799.34304.64.491.38224.390.331872.7J40.2737.099.32303.24.241.51924.3-0.04平均值24.350.16总半均值24.330.082.2影响实验误差的因素分析及讨论 度波动0.35 捋|%WO.1%；如果大气压为lOOkPa,气压计精度为0.01 kPa,则 乎W 0.01%；如果排开液体体积为40mL,称重精度为O.Olg,则岁 W0.025%。因此总误差 兽 % 0.24%。2.2.1系统误差由（MB*哈豐帶知:dM :Hdmm|?|如果镁的质量为100mg,所用分析天平的精度为0lmg,则dm% W01%,；如果反应器恒温于300K,温2.2.2操作误差(1) 体系中“死体积”带来的误差。如果用文献的反应装置，则反应体系中空气占据的体积(即死依积)会随着水蒸气的 扩散变大。可通过简单的计算证明：设反应前的“死体枳”为40mL,湿度为50%,大气压为 lOOkPa,温度为23弋且反应前后不变，此温下水的饱和蒸气压为2.8kPa,反应生成的出将水 蒸气带出，水蒸气达到饱和;为了便于计算，设生成的出不与“死体积”混合，仅有水蒸气向死 体积扩散，则:反应前空气的护值为40 x(1002. 8 x50% )即3944rr.LkPa,反应后“死体 积”中空气的压强(100 - 2.8 x100%)即97.2kPa仮应的后等温，空气的汕值不变，则反应后 “死休积”为3944/97.2 = 40.58mLo测凰时，将多岀的0.58mL计入氢气的体积。而文献中所 用量气管多为50mL规格的，如果生成的出体积为40mL,则相对误差约为1.5%,且为负误 差。显然，减小“死体积”，此项误差减小;完全排除“死体枳”，则消除比项误差。文献3通 过实验验证了此结论。溶解空气也会造成“死体积”增大。通常情况下，硫酸稀溶液应至少提前-天配置，使其 温度与室温一致。但久置后，其中往往含有溶解空气，若不驱赶,反应时溶解空气会被氢气带 出，造成负误差。排液称垂呈气法要用到大虽的酸液，就会造成较大的決差，故在使用酸液之 前应驱赶溶解空气,如0.5L稀硫酸用0.3g镁所产生的出就能将溶解空气赶尽。(2) 反应时体积、温度的彫响。在旧的实验方法中，用秋气管来量取气体的体枳从原理上说是正确合理的，但在调整液面 时会对气体进行压缩和扩张，从而造成水蒸气的变化,因而很难说水蒸气是饱和的，也很难说 气体温度恒定。而且调节液面有一定的难度，人为因素影响较大。此外,镁与酸反应是放热反 应,反应液较少时，温度升髙较大,在测蜀时体积、温度不易恒定。多数情况下体系温度离于室 温,温度升高时水的饱和蒸气压也增大，从而测量体积增大，造成负误差。在排液称重就气法实验中，排液的体积是通过称重计算而得，量气时对气体不进行压缩和 扩张，因而水蒸气是饱和的;在质址、密度的测定中，可达到5位有效数字;虽然镁溶在硫酸稀 溶液中，理论上会造成密度变化，但由于酸液董大,故反应前后密度变化极微;实验中，镁浸在 大最的稀酸中，反应热很快被周围大量的溶液吸收;生成的氢气带走水蒸气，水气化吸热也会 带走部分反应热。另外，反应时间在10 15min,可使反应热较慢且均匀地释放，减小了温度 的波动;实验证明，反应前后,溶液的温度几乎不变(波动0.2P);如果实验环境恶劣，该实 验装置还便于放入恒温槽中恒温。(3) 气体压强不做校正也会造成较大的影响。实验室常用福延式气压计读取气压值，对所读数据应进行温度、纬度、海拔校正，对实验中 的液面高度差进行测堀:，一并计入校正值，以保证气压测定的准确性。以苏州为例:气压计读 数为99.86kPaA温3代时,p卫为-0.50kPa；苏州纬度为31度，阳为-0. 124kPa；海拔高度 34米,Pn为-O.OOlkPa；总校正值为-0.625kPao如果不校正,会给实验结果带来约0.6%的 负误差。我们的实验中，如果液面高度的测8：误差为2mm,则带来的误差为0.02kPa,相对误 差为0.02%。2.3实验结果讨论实验结果表明，采用排液称重檢气法平均误差为0.08%,与理论计算值“W0.24%”相一 致。从实验数据可以看出：采用125mL滴瓶作为反应瓶时，平均误差最小为0.00%，各测最值 与理论计算值相一致;采用IOOOtdL或500mL细口试剂瓶时，平均误差稍大,分别为0.04%和 0.08%,其中有2个测展值的相对误差与理论值不一致;而采用60mL滴瓶作反应器时，误差 较大，为0.16%,也有2个测駐值的相对误差与理论值不一致。所以反应瓶采用125mL的滴 瓶为宜，此时硫酸的用虽也不大。采用60mL或125mL滴瓶作为反应瓶时，有配套滴管使用，滴管与瓶有磨口相合，因而瓶 的体积重现性较好；当反应瓶为1000mL或500mL的细口试剂瓶时,要另配橡皮塞，体积重现 性较差，此项误差约为0.2mL,因而实验误差稍大,但由于生成的氢气体积较大，相对误差仍 0.2%o实验中镁的用童变化较大，但对测傥值的相对误差的影响却不大。3新方法的优缺点(1) 排液称重量气法采用细口瓶作为反应器，反应产生的出浮于瓶内上方，将反应液从 导管压出，结构简单。(2) 新方法隔绝空气,消除了空气的影响。可推广到其他类似的需要隔绝空气的反应。 例如:可用Cu与稀硝酸反应测Cu的相对原子质就。(3) 由于采用称重法计算体积，体积的准确性得到保证。另外，反应时气体无压缩、膨胀 的调节过程,确保水蒸气是饱和的，因而体积计董准确。(4) 新方法避开调节液面的过程，操作更容易。虽然有上述优点，但新方法增加了称重量气的过程，用称量的方法计算生成氢气的体积, 大大增加了称量的次数，有些烦琐。最好使用称最方便的电子天平。此外，新方法计算量也较 大。4结论排液称重量气法具有实验梢度高，准确性好，操作简单等特点。平均误差与理论分析值 (W0.24%)致,仅为 0.08% o莎考文猷1蒋?如.潘润身无机化学实鲨北京:离等教育出版tt.1989(2J北京帅范大学尢机化学教研室.无机化学实鹽北京：离零枚宵出版社.1989(3J高宗华，沈云欺付彩15.等滨州医学院学报.2002,25(2):15814范云豪化学教育,2000(11)：385郭土城.刘长填化学教育,2000(】1)：4053一种用置换法测镁相对原子质量的新方法戸方甑掘作者：刘晟波，虞春妹，Liu Shengbo， Yu Chunmei作者单位：苏州科技学院化学与生物工程学院江苏苏州,215009刊名：大学化学英文刊名：UNIVERSITY CHEMISTRY年，卷(期): 被引用次数：2009 24(6)0次参考文献(5条)1. 蒋碧如.潘润身 无机化学实验19892. 北京师范大学无机化学教研室无机化学实验19893. 高宗华.沈云修.付彩霞 查看详情2002(02)4. 范云霞 查看详情期刊论文-化学教育2000(11)5. 郭士城.刘长增 查看详情期刊论文-化学教育2000(11)本文链接：授权使用：四川大学(scdx)，授权号：72d16224-501b-490c-8e9a-9ea200f7ffa5下载时间：2011年3月10日