利用手持技术改进测定乙醇分子结构实验，本文主要内容关键词为：分子结构论文,乙醇论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
测定乙醇分子结构实验是高中教材为数不多的定量实验之一[1]，然而在实验过程中存在操作复杂、实验误差较大、实验安全性差等诸多问题。施锦军(2003)等[2～4]对仪器装置进行了改进，以减小实验误差。郭桂芳(2004)[5]提出改用注射器注入乙醇来试图解决实验药品用量较多造成的安全隐患问题。潘明先(2008)等[6，7]针对操作复杂这方面难题，对实验药品及实验技巧与方法做了详细分析。然而笔者重复上述实验发现实验误差及安全问题等仍未得到很好控制。近来，随着信息技术的发展，手持技术以实时、准确等独特魅力在中学化学实验教学中备受青睐，为此笔者参考《化学教学论实验》中乙醇分子结构式的测定方案[8]，尝试利用数字化的压强传感器代替传统的排水集气法设计实验来测定乙醇分子结构。
二、实验设计和过程
1.仪器装置的改进
针对传统实验排水集气法的不便，将排水集气法测定
体积的装置改成通过气压传感器测量密闭烧瓶中因生成所增加的压强，可减少药品的用量。为此，笔者选用1mL注射器将无水乙醇注入一个装有钠粒的250mL蒸馏烧瓶中，并与压强传感器相连来探究乙醇的结构（实验装置如图1所示）。考虑多方面影响因素，充分分析误差的来源，利用此套装置不断进行反复实验，改变实验的反应条件，来探寻最佳的实验方案。
图1 测定乙醇分子结构实验装置
2.药品用量的分析
考虑烧瓶的承压能力和实验安全，经多次实验尝试，压强值应控制在20kPa以内比较安全（压强过大，橡皮塞易冲出，甚至造成烧瓶炸裂）。结合理想气体状态方程pV=nRT（室温：30.1℃，
用水测量其实际容积为：350mL），及乙醇的密度(
=0.7894g/mL)，最终确定无水乙醇的实验用量为0.20mL。此时理论计算反应所需0.08g钠。但由于在将钠块切成钠粒过程中部分钠会被氧化，为了确保乙醇完全反应，钠的实际用量要远远超过理论计算量（经多次实验尝试，约在0.30g左右为宜）。
3.反应条件（加热时间）的探索
实验过程中发现，当反应进行了一段时间（约100s）后，生成的冻状物乙醇钠（熔点：300℃）会包裹住钠珠，使反应速率骤减，剩余的乙醇无法继续反应。这时对烧瓶微微加热，钠及其表面的乙醇钠会发生共熔，使反应继续进行，不过加热时间会影响实验结果。加热时间过短，乙醇钠不能完全熔化，实验效果不明显；加热时间过长则使较多的乙醇挥发，不能与钠充分反应，也会给实验带来较大误差。为此进行多次实验尝试，最终确定加热时间为15s（此时产率最高）。不同实验数据如图2和表1所示。
4.空白实验的设计
分析压强变化曲线发现：烧瓶受热时，空气膨胀、乙醇挥发均会造成密闭容器内气体压强值升高；不过一经冷却，空气冷却、乙醇蒸气液化，故烧瓶内压强值便又迅速下降。为了确定实际加热过程中，烧瓶内的空气受热膨胀以及乙醇挥发而造成的实验误差，特设计2个空白实验：(1)空烧瓶加热15s（见图3和表2）；(2)空烧瓶中加入0.20mL无水乙醇，加热15s（见图4和表3）。
虽然体系受热会导致气体膨胀而引起压强增大，但观察压强变化曲线可看到：只要加热后冷却时间超过400s，初始压强和最终压强值差异不大，说明只要在实验过程中，冷却400s之后再停止数据的采集，则空气造成的误差影响可以基本消除。
分析图4中压强变化曲线的起点与最高点可以看出，空烧瓶与乙醇共热时压强变化值在7kPa左右。比较图2中不同加热时间下的压强曲线，在反应100s进行加热。若加热30s，烧瓶压强迅速上升到最高点，变化值也在7kPa左右，且一停止加热，压强迅速减小。这种情况和图4中的压强上升曲线相似，进一步说明加热时间过长，乙醇所产生的蒸气压大，乙醇挥发的量比较多，因而造成氢气的产率较低。而加热15s时，压强值缓慢上升，升高值远超过7kPa，且停止加热后，压强值虽仍有降低，但变化值比较小，这说明若控制好加热时间，则可以完全熔化乙醇钠促进反应继续进行，同时能有效地减少乙醇挥发量，提高的产率。
三、结果分析与讨论
将0.3g处理过的钠珠，放入蒸馏烧瓶内，塞好橡皮塞，用注射器一次注入0.20mL乙醇，反应进行2min后，用酒精灯微热15s，待示数基本不变（约550s），读出反应前后的压强。平行做3组实验，对实验数据进行处理（见图5和表4）。
图5 测定乙醇分子结构实验压强变化曲线
3次平行实验测得反应过程中容器内的压强差（即的压强）的平均值为12.05kPa，由此可以算出3次实验的相对误差约为2.4%（见表4）。可见，实际因产生氢气而增大的压强值要比理论计算值小，即实验结果为负误差。这是由于实际操作中只能尽量减少而无法完全避免乙醇的挥发。利用理想气体状态方程pV=nRT，可求得反应产生的的物质的量为0.00167mol，结合注入烧瓶内的无水乙醇的量（0.20mL，即0.00343mol），可推知乙醇的物质的量为的物质的量2.05倍（约为2倍），显然1mol乙醇分子里有1mol氢原子可以被取代，因而我们可以确定乙醇的结构为（Ⅰ）而不是（Ⅱ）。
四、结语
借用传感技术采集实验数据，通过数据信息反馈实验条件的影响效果，对最终确定最佳实验方案大有裨益。此外，相对于传统实验，本实验彰显了数字化实验的独特魅力：(1)简化了实验操作，减小了实验误差；(2)气压传感器的灵敏度高，反应所需乙醇和钠的用量大大减少，节约实验成本，提高实验的安全性；(3)可以让学生结合图像对实验数据进行深入分析，找寻误差来源，探究实验的最佳条件。本实验的改进，既可作为演示实验帮助学生理解并掌握乙醇结构这一教学重点，同时也可以作为探究性的定量实验，培养学生严谨的实验态度，提高其分析与处理数据的能力。