气体密度法测定二氧化碳的分子量

Determination of Molar Mass of Carbon Dioxide Using Gas Density Method

一、实验目的

(1)了解用相对密度法测定气体分子量的原理和方法。

(2)掌握启普发生器、洗气瓶和干燥塔的装配和使用方法。

(3)进一步熟悉天平的使用方法。

二、预习要点

(1)预习用相对密度法测定CO2分子量的原理和方法。

(2)思考并回答下列问题:

①用启普发生器制取CO2时为什么要让CO2通过水、浓硫酸和无水氯化钙?

②怎样证明锥形瓶中已充满二氧化碳?

③为什么(CO2+瓶+塞子)的质量要在分析天平上称量，而(水+瓶+塞子)的质量可以在托盘天平上称量?

④为什么在计算锥形瓶的容积时不考虑空气的质量，而在计算CO2的质量时要考虑空气的质量? (考虑有效数字的问题)

⑤使用启普发生器，有哪些应注意的地方?

三、实验基本原理

根据阿佛加德罗定律，在同温同压下，同体积的任何气体含有相同数目的分子。因此，在同温、同压下，任何相同体积的两种气体(A和B)的质量之比，等于它们的分子量之比，即

WA/WB的比值为A气体对B气体的相对密度(常用DB表示)。

为测定上的方便，设定其中一气体为标准气体。通常用氢气(最轻的气体)或空气(最常见的气体)为标准，根据(1)式来求另一气体的分子量。

本实验以空气(空气的平均分子量为29．0)为标准气体，来求二氧化碳的分子量，即

WCO2、W空气分别为同体积的二氧化碳和空气的质量。MCO2为二氧化碳分子量，若将一个玻璃容器例如锥形瓶(当然其中充满了空气)先进行称量(G1)，然后将其充满二氧化碳并在同一温度和大气压下称量(G2)，两者的质量之差(G2－G1)也就是同体积二氧化碳与空气的质量之差，即WCO2－W空气=G2－G1，所以

至于空气的质量W空气，可以利用理想气体状态方程式，由瓶的容积V，实验时的温度t和大气压p计算出来，即

为了求出瓶的容积V，可将瓶内充满水并称重(G3)。充满水的瓶(带塞)的质量和充满空气的瓶(带塞)的质量之差便是水与空气的质量之差，即W水－W空气，实际上也就是水的质量(略去W空气)。W水除以水的密度(室温下近似为1．00g/m L)便得瓶的容积V。

这样，将V、p、t值代入式(4)求出W空气，进一步由式(3)求出WCO2，最后将WCO2和W空气代入式(2)便计算出二氧化碳的分子量。

为了测定CO2分子量，首先要解决CO2气体的制备与净化的问题，其次要解决CO2气体的收集和称量的问题，其中CO2气体的体积与质量的准确测量是实验的关键，上述方法很巧妙地解决了普通实验条件下测量少量气体体积和质量的难题，在其他实验中值得借鉴。

四、仪器和试剂

仪器: 制备CO2的仪器(启普发生器)，洗水瓶(2个)，干燥塔(2个)，玻璃纤维，橡皮管，分析天平，托盘天平，锥形瓶(250m L)，橡皮塞，温度计(0～100℃)，气压计。

试剂:H2SO4(浓)，HCl(6mol·L－1)，Ca CO3(大理石或石灰石)，无水氯化钙。

五、实验内容

1． 二氧化碳气体的制备

制备CO2的实验装置如图3－11所示(由实验员负责装配好)。在启普发生器的球形容器中盛有Ca CO3(石灰石或大理石)，安全漏斗中注入适量的6mol·L－1HCl。打开活塞，则盐酸从底部上升与石灰石接触，发生反应，产生CO2气体，气体经过装水的洗气瓶除去氯化氢和其他可溶性杂质，经过装有浓H2SO4的洗气瓶，装有无水氯化钙和玻璃纤维的干燥塔，进一步除去气体中的水分和其他杂质，最后经导气管导出。先排气4～5min，使整套装置中的空气被CO2驱出后，关闭活塞待用。

图3－11 制备和收集二氧化碳的装置图

1—盐酸;2—石灰石;3—水;4—浓硫酸;5—玻璃纤维;6—无水氯化钙;7—CO2接收瓶

2． 二氧化碳分子量的测定

取一只洁净而干燥的250m L锥形瓶，配上合适的橡皮塞，塞紧后在塞子上作一记号，以固定塞子塞入瓶口的位置。然后在天平上称量(空气+瓶+塞子)的质量(G1)，记下数据。

打开橡皮塞，将导气管插入锥形瓶的底部(为什么)? 再打开启普发生器的活塞，通入CO2，约4～5min(CO2的流速以每秒在浓H2SO4中鼓泡4～5个为宜)，慢慢地抽出导气管，迅速用塞子塞住瓶口(至记号处)。在天平上称量CO2+瓶+塞子)的质量(G2)。

重复通入CO2气体和称量的操作，直到两次质量相差不超过1～2mg(表明瓶内空气已完全被CO2所代替)，记下质量。

往瓶中装水至橡皮塞刚好塞到原来的位置上，在托盘天平上称量(水+瓶+塞子)的质量(G3)，称准至0．1g。(G3－G1)即得水的质量(空气的质量在此可以忽略不计)。

记下实验时的温度t和大气压力p。

六、实验记录与结果

实验时的室温t/℃__________

实验时的大气压力p/k Pa__________

(空气+瓶+塞子)的质量G1/g__________

(CO2+瓶+塞子)的质量G2/g__________

(水+瓶+塞子)的质量G3/g__________

瓶的容积V/m L=G3－G1/1．00__________

空气的质量W空气__________

CO2的质量WCO2=(G2－G1)+W空气__________

CO2分子量__________

百分误差__________

分析产生误差的主要原因:

(本实验参考了关鲁雄主编的《化学基本操作与物质制备实验》一书。)

(编者: 刘绍乾)