運(yùn)用手持技術(shù)測(cè)定尿素的摩爾質(zhì)量

馮雪琦 馬宏佳

（南京師范大學(xué)課程與教學(xué)研究所 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210046）

一、問(wèn)題的提出

人教版教材《化學(xué)》（九年級(jí)下冊(cè)）在第十一單元《鹽化肥》中指出——公路上的積雪可以用氯化鈉來(lái)消除。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)食鹽融化積雪的原理不知甚解。原來(lái)，非揮發(fā)性溶質(zhì)溶解在溶劑中后，溶液的凝固點(diǎn)會(huì)低于純?nèi)軇移淠厅c(diǎn)降低值只與溶質(zhì)的分子數(shù)有關(guān)而與溶質(zhì)的種類無(wú)關(guān)，這種性質(zhì)稱為稀溶液的依數(shù)性。因此，當(dāng)向積雪中加入氯化鈉后，體系凝固點(diǎn)的降低促使冰雪融化。

經(jīng)查閱資料，在稀溶液中，溶質(zhì)、溶劑質(zhì)量已知的前提下，根據(jù)溶液凝固點(diǎn)的降低值可以測(cè)定出溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)即以冰乙酸為溶劑、尿素作溶質(zhì)，運(yùn)用手持技術(shù)監(jiān)測(cè)溶劑在加入溶質(zhì)前后凝固點(diǎn)的變化情況，從而計(jì)算出尿素的摩爾質(zhì)量。

二、實(shí)驗(yàn)原理

一定壓力下，固態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)呈相平衡時(shí)的溫度稱為該物質(zhì)的凝固點(diǎn)。拉烏爾用實(shí)驗(yàn)證明了，溶液的凝固點(diǎn)下降ΔTf（即純?nèi)軇〢與溶液B的凝固點(diǎn)之差）與溶液的質(zhì)量摩爾濃度bB呈正比：

通常情況下，測(cè)定凝固點(diǎn)的方法是將溶液逐漸冷卻，使其結(jié)晶。但是，實(shí)際上溶液冷卻到凝固點(diǎn)，往往并不析出晶體。這是因?yàn)樾孪嗟男纬尚枰欢ǖ哪芰?，故結(jié)晶并不析出，這就是所謂的過(guò)冷現(xiàn)象。然后由于攪拌或加入晶種促使溶劑結(jié)晶，由結(jié)晶放出的凝固熱使體系溫度回升至凝固點(diǎn)。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.試劑與儀器

Vernier溫度傳感器及數(shù)據(jù)采集器、分析天平、酒精燈、試管、燒杯；冰乙酸（分析純）、尿素（分析純）、粗鹽、冰塊。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）冷劑準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)

向200mL燒杯中裝入適量的冰塊和水，取適量粗鹽與冰水混合，使冷劑溫度達(dá)到-2℃~3℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)冷劑應(yīng)經(jīng)常攪拌，并間斷地補(bǔ)充少量的碎冰或食鹽，使冷劑溫度基本保持不變。

（2）溶劑凝固點(diǎn)的測(cè)定

將Vernier數(shù)據(jù)采集器、溫度傳感器、計(jì)算機(jī)三者連接（見(jiàn)圖1）。 雙擊“Logger Pro”軟件，設(shè)置采集長(zhǎng)度：600秒，取樣速度：1樣本/秒。向干燥的試管內(nèi)加入約10mL冰乙酸，加熱試管使冰乙酸的溫度高于其凝固點(diǎn)。將溫度傳感器插入試管中，待溫度穩(wěn)定后將其放入冰水浴中（試管中液面高度低于冷水浴液面），并點(diǎn)擊 “采集”按鈕。用溫度計(jì)傳感器緩慢攪拌，使溶劑較快地冷卻。當(dāng)溫度低于凝固點(diǎn)0.2~0.3℃時(shí)急速攪拌（防止過(guò)冷），促使固體析出。當(dāng)固體析出時(shí)，溫度迅速回升，立即改為緩慢勻速攪拌。待數(shù)據(jù)采集停止后，選中圖中的穩(wěn)定階段，點(diǎn)擊按鈕，統(tǒng)計(jì)得出此段的平均值即為冰乙酸的凝固點(diǎn)。

（3）溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定

用分析天平稱量mAg冰乙酸和mBg尿素。將準(zhǔn)確稱量的尿素加入盛有冰乙酸的試管（注意不要粘于試管壁上），加熱試管，同（2）測(cè)定溶液的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

（1）溶劑凝固點(diǎn)的測(cè)定

選中溫度回升后的平穩(wěn)階段進(jìn)行擬合，求得該段的平均值為15.71℃。如圖2，冰乙酸的凝固點(diǎn)是15.71℃。

圖2 冰乙酸的冷卻曲線

（2）溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定

圖3 實(shí)驗(yàn)1中乙酸-尿素體系的冷卻曲線

文獻(xiàn)中查得冰乙酸的凝固點(diǎn)下降常數(shù)為3.9 K·kg·mol-1，五次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 五次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以算出尿素的摩爾質(zhì)量，其算術(shù)平均值為59.93g/mol，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.61g/mol。測(cè)量值與理論值（60.06g/mol）的平均誤差b=0.13g/mol，相對(duì)誤差R=0.22%，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度較好。

四、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

（1）實(shí)驗(yàn)所用試管必須潔凈、干燥。

（2）在冷卻過(guò)程中，使用溫度傳感器輕輕地充分?jǐn)嚢?，以免把樣品濺在試管內(nèi)壁上。

（3）為了避免冰乙酸的大量揮發(fā)，在每次測(cè)完冰乙酸的凝固點(diǎn)后，最好都換成新的溶劑，溶入尿素后再測(cè)定溶液的凝固點(diǎn)。

（4）根據(jù)稀溶液的依數(shù)性，溶質(zhì)加入的量要少；太多則不符合稀溶液的條件，太少凝固點(diǎn)下降不明顯。

（5）在冰乙酸-尿素體系中，冰乙酸與尿素發(fā)生了縮合反應(yīng)。在該體系中的溶質(zhì)即發(fā)生了變化，但因反應(yīng)前后化學(xué)計(jì)量數(shù)相等，且加入尿素的質(zhì)量符合稀溶液的標(biāo)準(zhǔn)，故消耗的冰乙酸和生成的水對(duì)體系的影響，在誤差允許的范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)。且為了降低縮合反應(yīng)發(fā)生的程度，采集數(shù)據(jù)前對(duì)溶液的加熱溫度不宜過(guò)高。

［1］ 課程教材研究所等．化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）［M］．北京：人民教育出版社，2001：68

［2］ 北京師范大學(xué)等校．無(wú)機(jī)化學(xué)（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2002：302

［3］ 夏海濤，許越，滕玉潔．物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第1版）［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003：37