论文部分内容阅读
摘 要：在高中化学实验中有通过测定反应产生气体的体积来测定混合物中某种成分的质量分数（即纯度）的定量实验，笔者通过从教材栏目中分析影响气体体积的主要因素入手，结合实验操作与所选用的仪器装置进行分析比较，得出测量气体体积的同时要测量实验环境的温度与气压的必要性和测量方法，并从高考对考生进行气体体积测量的实验能力与学科素养的考查中分析总结气体体积测量的原理和对实验数据误差的分析，通过专题复习达到培养学生学科素养的目的。
关键词：高中化学;气体体积;测量
《普通高中化学课程标准》对高中学生的化学实验提出了明确的学业要求：要具有较强的问题意识，能在真实的情境中提出化学探究问题，并作出预测和假设;再依据实验目的和假设，设计解决简单问题的实验方案，最后对实验方案进行评价等等。而高考是要考查学生学科的核心素养，用真实情境中的问题为载体来考查学生解决实际问题的能力，我们在进行高考总复习的过程中就应该有意识地整合真实的问题情境，系统地把相关的化学基本知识、基本原理及其应用与解决相关问题联系在一起，逐步提高学生的化学探究能力。
对化学反应中生成的气体体积进行测量常用于分析物质的组成。在高考总复习阶段，把气体体积的测量作为一个专题来复习，有利于学生对气体体积的测量实验中所涉及到的各项知识和技能形成系统化、条理化，有利于培养学生形成更加严谨的学科素养，可以更直观地理解和运用相关知识与技能。
一、利用课本相关栏目，进一步理解决定物质体积大小的主要因素
现行鲁科版教材《化学1（必修）》中第22页有一个“交流研讨”栏目（表1—3—1）“1 mol不同物质的质量和体积”，通过分析表中数据，可以得出以下信息：
①在粒子数目相同的情况下，物质体积的大小主要决定于微粒的大小和微粒之间的平均距离。当粒子之间的距离很小时（固态物质与液态物质），物质的体积就主要决定于微粒本身的大小;当粒子间的距离比较大时（气态物质），物质的体积就主要决定于微粒间的平均距离。
②气体体积的大小主要决定于气体分子间的平均距离，气体分子间的平均距离与温度、压强等外界条件有密切的关系：在其他条件不变时，温度越高，气体分子间的平均距离越大，气体体积也越大;压强越大，气体分子间的平均距离越小，气体体积也越小。
③在化学实验中定量测量气体的体积时，一定要同时测量所测气体的温度和气压。
二、以常见实验为实例，对气体发生装置与量气装置的进行对照比较与选择
以Na2CO3样品（杂质为氯化钠）与足量稀硫酸反应，通过测定反应生成的二氧化碳气体的体积，进一步确定Na2CO3样品的纯度为例分析用量气法测量气体体积的过程：
第一，要选择合适的气体发生装置。选择如图1作为气体发生装置时，由于发生反应生成的CO2气体，可能导致装置内气压增大，使得分液漏斗中的稀硫酸不能顺利地加入到烧瓶中;所加入的稀硫酸的体积会导致排出的气体体积大于反应生成的CO2气体体积。若改为用如图2作为气体发生装置，由于把分液漏斗改为恒压分液漏斗，即可使得漏斗中的稀硫酸能顺利地加入烧瓶中，也能使得排出的气体体积等于反应生成的CO2气体体积。
第二，要选择合适的量气装置。选择如图3作为气体发生装置时，在实验结束时可以从量筒中的液面位置很直观地读出产生气体的体积，但由于广口瓶中和广口瓶与量筒之间的导管中要先装满不能再溶解CO2气体的饱和碳酸氢钠溶液，操作上就不如选择如图4那么方便易行，但是在选用如图4所示量气装置，读数时要注意量气管中的刻度變化方向。
第三，要通过实验准确测量反应中生成的CO2气体的体积，实验中最重要的是要测出气体的温度和气压。要准确测出气体的温度，可以在反应结束后让反应装置充分冷却到室温，使得反应装置中的温度与实验室的温度相同，只需要测量实验室的温度;学生在初中《物理》课程中学习过“处于同一水平面上的同种液体所受的压强相等”，要准确测出气体的气压，只要上下移动水准管或量气管，使得水准管中的液面与量气管中的液面相平，再把视线与量气管中液体的凹液面量低处保持水平并读出量气管中的起始读数与终点读数，再测出实验室中的气压。
三、以历年来相关的高考试题为例，对实验原理与实验能力的检测进行专题分析点评
【题例1】实验室常用MnO2与浓盐酸反应制备Cl2。制备反应会因盐酸浓度下降而停止。为测定反应残余液中盐酸的浓度，探究小组同学提出下列实验方案：……
丁方案：与足量Zn反应，测量生成的H2体积。进行下列判断和实验：
进行丁方案实验：装置如右图所示（夹持器具已略去）。反应完毕，每间隔1分钟读取气体体积，气体体积逐次减小，直至不变。气体体积逐次减小的原因是 （排除仪器和实验操作的影响因素）。
【点评】题中明确指出“排除仪器和实验操作的影响因素”，在读取气体体积时出现了气体体积逐渐减小的现象，是因为金属锌与盐酸反应是放热反应，生成的氢气的温度高于室温，这些氢气逐渐冷却的过程中体积逐渐减小。
【题例2】测定丙烯醇的摩尔质量：准确量取a mL丙烯醇（密度为0.85g/mL）于分液漏斗中，烧瓶内盛装足量钠粒。实验前量气管B中读数为bmL，当丙烯醇完全反应后，冷却至室温、调平B、C液面，量气管B的读数为c ml。已知室温下气体摩尔体积为V L/mol。
【点评】根据实验目的，要测定a mL丙烯醇的物质的量，就要测定反应生成氢气的物质的量，实验开始时，B管与C管中的液面是相平的，当丙烯醇与金属钠反应生成氢气时，由于A装置中氢气量的增加，压强增大，B管中液面下降，C管中液面上升，才会使得B、C两管的液面不相平，第①题中的操作就应该是把C管向下移动到液面与B管相平;在装置图中B管中最上方的刻度旁边标示了“0”，题于信息中的读数应是c>b，所测出的氢气的体积应为（c—b）mL;读数时C管液面高于B管，则A装置与B管的液面上的气体压强就比实验室的压强更大，反应生成的氢气由于压强的增大而使得体积被压缩变小，进而使得丙烯醇的物质的量偏小而使丙烯醇的摩尔质量偏大。
教育部考试中心对高考化学学科的“化学实验与探究的能力”提出了考试要求：第一，要掌握化学实验的基本方法和技能，能够初步进行化学实验的一般过程。第二，在解决化学问题的过程中能运用化学原理和科学方法，能够设计出合理的实验方案，并初步进行化学探究。这就要求我们在教学过程中要充分重视学生实验，要努力培养学生掌握化学实验的基本方法和基本技能，设计并实施合理的实验方案，不断提高学生的化学探究的能力;在高考复习的过程中再系统整合并提高学生的综合实验探究的能力，以达到发展学生化学学科核心素养的目的。
参考文献
[1]王磊，普通高中课程标准实验教科书化学1（必修）.第3版，山东科学技术出版社，2007：22
[2]人民教育出版社，普通高中化学课程标准（2017版）：64-67
[3]高等教育出版社，高考试题分析（理科综合分册）（2020年版）：23
关键词：高中化学;气体体积;测量
《普通高中化学课程标准》对高中学生的化学实验提出了明确的学业要求：要具有较强的问题意识，能在真实的情境中提出化学探究问题，并作出预测和假设;再依据实验目的和假设，设计解决简单问题的实验方案，最后对实验方案进行评价等等。而高考是要考查学生学科的核心素养，用真实情境中的问题为载体来考查学生解决实际问题的能力，我们在进行高考总复习的过程中就应该有意识地整合真实的问题情境，系统地把相关的化学基本知识、基本原理及其应用与解决相关问题联系在一起，逐步提高学生的化学探究能力。
对化学反应中生成的气体体积进行测量常用于分析物质的组成。在高考总复习阶段，把气体体积的测量作为一个专题来复习，有利于学生对气体体积的测量实验中所涉及到的各项知识和技能形成系统化、条理化，有利于培养学生形成更加严谨的学科素养，可以更直观地理解和运用相关知识与技能。
一、利用课本相关栏目，进一步理解决定物质体积大小的主要因素
现行鲁科版教材《化学1（必修）》中第22页有一个“交流研讨”栏目（表1—3—1）“1 mol不同物质的质量和体积”，通过分析表中数据，可以得出以下信息：
①在粒子数目相同的情况下，物质体积的大小主要决定于微粒的大小和微粒之间的平均距离。当粒子之间的距离很小时（固态物质与液态物质），物质的体积就主要决定于微粒本身的大小;当粒子间的距离比较大时（气态物质），物质的体积就主要决定于微粒间的平均距离。
②气体体积的大小主要决定于气体分子间的平均距离，气体分子间的平均距离与温度、压强等外界条件有密切的关系：在其他条件不变时，温度越高，气体分子间的平均距离越大，气体体积也越大;压强越大，气体分子间的平均距离越小，气体体积也越小。
③在化学实验中定量测量气体的体积时，一定要同时测量所测气体的温度和气压。
二、以常见实验为实例，对气体发生装置与量气装置的进行对照比较与选择
以Na2CO3样品（杂质为氯化钠）与足量稀硫酸反应，通过测定反应生成的二氧化碳气体的体积，进一步确定Na2CO3样品的纯度为例分析用量气法测量气体体积的过程：
第一，要选择合适的气体发生装置。选择如图1作为气体发生装置时，由于发生反应生成的CO2气体，可能导致装置内气压增大，使得分液漏斗中的稀硫酸不能顺利地加入到烧瓶中;所加入的稀硫酸的体积会导致排出的气体体积大于反应生成的CO2气体体积。若改为用如图2作为气体发生装置，由于把分液漏斗改为恒压分液漏斗，即可使得漏斗中的稀硫酸能顺利地加入烧瓶中，也能使得排出的气体体积等于反应生成的CO2气体体积。
第二，要选择合适的量气装置。选择如图3作为气体发生装置时，在实验结束时可以从量筒中的液面位置很直观地读出产生气体的体积，但由于广口瓶中和广口瓶与量筒之间的导管中要先装满不能再溶解CO2气体的饱和碳酸氢钠溶液，操作上就不如选择如图4那么方便易行，但是在选用如图4所示量气装置，读数时要注意量气管中的刻度變化方向。
第三，要通过实验准确测量反应中生成的CO2气体的体积，实验中最重要的是要测出气体的温度和气压。要准确测出气体的温度，可以在反应结束后让反应装置充分冷却到室温，使得反应装置中的温度与实验室的温度相同，只需要测量实验室的温度;学生在初中《物理》课程中学习过“处于同一水平面上的同种液体所受的压强相等”，要准确测出气体的气压，只要上下移动水准管或量气管，使得水准管中的液面与量气管中的液面相平，再把视线与量气管中液体的凹液面量低处保持水平并读出量气管中的起始读数与终点读数，再测出实验室中的气压。
三、以历年来相关的高考试题为例，对实验原理与实验能力的检测进行专题分析点评
【题例1】实验室常用MnO2与浓盐酸反应制备Cl2。制备反应会因盐酸浓度下降而停止。为测定反应残余液中盐酸的浓度，探究小组同学提出下列实验方案：……
丁方案：与足量Zn反应，测量生成的H2体积。进行下列判断和实验：
进行丁方案实验：装置如右图所示（夹持器具已略去）。反应完毕，每间隔1分钟读取气体体积，气体体积逐次减小，直至不变。气体体积逐次减小的原因是 （排除仪器和实验操作的影响因素）。
【点评】题中明确指出“排除仪器和实验操作的影响因素”，在读取气体体积时出现了气体体积逐渐减小的现象，是因为金属锌与盐酸反应是放热反应，生成的氢气的温度高于室温，这些氢气逐渐冷却的过程中体积逐渐减小。
【题例2】测定丙烯醇的摩尔质量：准确量取a mL丙烯醇（密度为0.85g/mL）于分液漏斗中，烧瓶内盛装足量钠粒。实验前量气管B中读数为bmL，当丙烯醇完全反应后，冷却至室温、调平B、C液面，量气管B的读数为c ml。已知室温下气体摩尔体积为V L/mol。
【点评】根据实验目的，要测定a mL丙烯醇的物质的量，就要测定反应生成氢气的物质的量，实验开始时，B管与C管中的液面是相平的，当丙烯醇与金属钠反应生成氢气时，由于A装置中氢气量的增加，压强增大，B管中液面下降，C管中液面上升，才会使得B、C两管的液面不相平，第①题中的操作就应该是把C管向下移动到液面与B管相平;在装置图中B管中最上方的刻度旁边标示了“0”，题于信息中的读数应是c>b，所测出的氢气的体积应为（c—b）mL;读数时C管液面高于B管，则A装置与B管的液面上的气体压强就比实验室的压强更大，反应生成的氢气由于压强的增大而使得体积被压缩变小，进而使得丙烯醇的物质的量偏小而使丙烯醇的摩尔质量偏大。
教育部考试中心对高考化学学科的“化学实验与探究的能力”提出了考试要求：第一，要掌握化学实验的基本方法和技能，能够初步进行化学实验的一般过程。第二，在解决化学问题的过程中能运用化学原理和科学方法，能够设计出合理的实验方案，并初步进行化学探究。这就要求我们在教学过程中要充分重视学生实验，要努力培养学生掌握化学实验的基本方法和基本技能，设计并实施合理的实验方案，不断提高学生的化学探究的能力;在高考复习的过程中再系统整合并提高学生的综合实验探究的能力，以达到发展学生化学学科核心素养的目的。
参考文献
[1]王磊，普通高中课程标准实验教科书化学1（必修）.第3版，山东科学技术出版社，2007：22
[2]人民教育出版社，普通高中化学课程标准（2017版）：64-67
[3]高等教育出版社，高考试题分析（理科综合分册）（2020年版）：23