基于数字实验的理想气体常数的测定

马善恒+夏建华

摘要：传统测定理想气体常数的方法存在误差较大、不易操作、直观性差等特点。本实验使用温度传感器、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，在软件中输入相关函数，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、压强影响的这一特點。

关键词：理想气体常数；数据采集器；温度传感器；气压传感器

文章编号：1008-0546（2017）08-0087-01 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.030

一、问题提出

传统测定理想气体常数的装置图如下[1-5]，根据公式R=PV/nT，利用Mg+H2SO4MgSO4+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。

二、数字实验下理想气体常数的测定

1. 实验目的

运用数字实验测定理想气体常数

2. 实验原理

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，笔者在三颈瓶内放入过量的碘单质，并将三颈瓶完全浸入在水槽中的热水浴内（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，测定出此时装置内温度及气压变化曲线，利用装置质量差计算出此时装置内的碘单质含量，在配套软件上输入相关数据构建出理想气体常数的函数曲线。

3. 实验仪器及药品

电脑（装有威尼尔配套软件）、数据采集器、压力传感器、温度传感器、水槽；碘单质、90℃左右的热水。

4. 实验装置图

5. 实验步骤

（1）如图2所示连接，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，打开电脑软件。

（2）称三颈瓶的质量（含塞子及不可取下的连线）为354.792g。打开瓶塞，向其中加入约10g的碘单质，如装置图连接好。

（3）打开止水夹，将三颈瓶整体没入热水浴（温度约90℃）中加热，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1min。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352.602g，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？鄢体积？鄢”压力”）/（“温度”？鄢质量）”，勾选“在实时读数时显示”，点击“完成”。

（6）实验数据及结论

从图3中可以看出，热力学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%。

三、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，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即可得出结果。

参考文献

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[5] 韩莉，等.关于“理想气体常数R的测定”实验原理的讨论[J]. 实验室研究与探索，2007（8）：27-29