阿伏加德罗常数测定实验探究

I S 1 02 S N 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

-

4 56 9. . . . . . . . . .— .—

实

验

技

术

与

管

理

第 2 8卷

第 3期

21 0 1年 3月

CN1 2 3/ 1— 0 4 T

Ex e i e t l Fe h o o y a d M a g m e t p rm n a c n l g n na e n

V o . 8 NO 3 M a . 2 1 12 . r 0 1

阿伏加德罗常数测定实验探究杨锦，尉京志，牛丽红，崔爱莉(清华大学化学系实验中心，北京 1 0 8 ) 0 0 4

摘

要：阿伏加德罗常数的测定是一个经典的基础化学实验。为 l提升教学效果和增强学生实验技能，该『对

实验进行了讨论和探究。考察了阿伏加德罗常数测定的由来和进展，点阐述和探讨了电解法测定该常数重的实验原理和方法，从电极、并电源、验结果分析等几个方面进行了论述，测定方法和测定仪器提出了改实对进建议。通过改进，实验在培养学生科学的思维方法和实验技能等方面町以发挥更好的作用。该 关键词：础化学实验；阿伏加德罗常数；验教学；电解法基实中图分类号：04 3—3文献标志码：A 文章编号：1 0—9 6 2 l ) 3 0 4 4 0 24 5 ( O 1 0 0 8 0

Thn iga ddsu s no h eemiaine p r n fAv g docn tn ikn n ic si nted tr n t x ei to o a r o sa t o o meYa g Jn,W e i g h,Ni i o g,Cu l n i i n zi J uLh n i Ai i( p rme to e sr,Tsn h aUnv riy De at n f Ch mi y t ig u iest,Be ig 1 0 8 in 0 0 4,Chn ) j ia

Ab ta t sr c:A sar p e e t tv e c i g e e i e,t t r ia i n e e i e og dr o t nti l e r s n a i et a h n xp rm nt hedee m n to xp rm ntofAv a o c nsa swid— l a e on cu rc l i do e tc ole s n unve ste . H it y nd r r s i t

d t r i a i o y plc d r iu a n m si c lge a d i r iis sor a p og e s n he e e m n ton fAv a o c ns a e e r ve e og dr o tntw r e iw d. The p ic p ea e h he e pe i e y ee toltc tc i u r rn i l nd m t od oft x rm ntb lc r y i e hn q e we e a l e nd dic s e ih e p ss Se e a e nd o nins on e pl a i n r f m a i r o— nayz d a s u s d w t m ha i. v r lviws a pi o x or ton a d eor ton we e pr

p e r m s e t u h a lc r de,p os d fo a p c ss c s ee t o owe u l n e u ta a y i. Sce ii ho hta d e pe i e t la rs pp y a d r s l n l ss im fct ug n x rm n a—bi t fs ud n sw e ec tv t d,a o e e ty t e e ng e f c s i pr ve e l. l y o t e t r uli a e i nd c ns qu n l he t a hi fe twa m o d graty

Ke r: f n m e a he it y e e i nt A v ga r c nsan; e y wo ds u da nt lc m s r xp rme; o d o o t t xpe i e t t a hig; ee t o y i t c— rm n e c n l cr l tc e hn qt l i e

阿伏加德罗常数是一个在物理和化学领域十分重要的常数，是连接宏观和微观的“梁”它的阐明和它桥，测定在人类科学发展史上具有划时代意义。阿伏加德

教育，仅可以激发学生学习兴趣，不而且可以加深学生对于知识的理解和掌握，为重要的是可以教授给学更生科学的思维方法和研究方法。 在 1 9世纪初期，尔顿的原子学说无法解释盖一道

罗常数测定是现代物理和化学的前沿课题，]同时也是基础化学实验教学的经典内容，测定方法也在不其断改进和提高，期以来在培养学生实验技能方

面发长

吕萨克的气体反应实验，多科学家都对此作出分析很和研究。意大利学者阿伏加德罗_于 1 1 3 8 1年提出组成物质最小粒子的分子说，分子取代了原子成功地以

挥了很大作用。

1阿伏加德罗常数的测定历史和进展 正如我国著名化学家傅鹰所说：化学给人以知“识，化学史给人以智慧”化学史教育是提高学生学而，

解释了气体反应的实验现象。阿伏加德罗的理论得到了一些学者的支持，国物理学家安培于 1 1法 8 4年指出每一分子由一定数目的原子组成。但是分子论遭到]

了道尔顿等欧洲化学界权威的反对和冷落，被忽视了近 5 0年。阿伏加德罗的论述：同体积的气体，温“在度、力相同时，有相同数目的分子”这一结论在相压含，

科综合素质的重要组成部分。然而，目前学生对经典化学参量的由来和演变过程了解甚少，学活动中教教师对化学史教育的重视程度不够，种情况已经与素这质教育的要求不相适应[。在化学实验中引入化学史 2]收稿日期： 0 0 0— 2 2 1— 7 2

当长的时期内只是一个假说，年以后才被承认为多定理。

就在原子、子的概念进行争论的期间，些科分一

作者简介：锦 ( 9 7 ),京市人，学学士，学学士，程师，杨 17一女北工文工研究方向：机化学实验无E maljn y n 0@ mal.sn u . d . a - i:i— a g 2 istigh a e u c

学家已经着手计算分子的大小和一定体积内分子的多少。1 6 8 5年奥地利物理学家洛希米特首开先河，当时还没有阿伏加德罗常数这一概念。19 8 6年，德

杨

锦，:伏加德罗常数测定实验探究等阿

8 5

国化学家奥斯特瓦尔德提出摩尔单位。 1 0 9 8年，法国物理学家佩兰研究布朗运动时估算出 1摩尔气体含有的粒子个数，称之为阿伏加德罗常数]考并。察阿伏加德罗常数的测定历史可以发现，学家利科用不同的方法测定和计算这一常数，大地推进了极化学和物理学的发展。特别需要指出的是，早期

在

2高校基础化学实验选用的方法及改进 在基础化学实验教学中，伏加德罗常数常用的阿

测定方法有单分子膜法、学反应法和电化解法 l。 g

电解法测定阿伏加德罗常数的实验原理是根据通过电解液的电量和阴阳两电极的质量 (物质的量 )或的

测定阿伏加德罗常数的过程中，理学和化学相互物交融、相印讧，同推进了电化学的发展。例如，互 E共

变化量，得阿伏加德罗常数。电解法是利用电能进求行氧化还原反应。2 1电解硫酸铜法 .

英国科学家法拉第早在 1 3 8 4年就提出了电解定律，即通过的电量与电极上发生反应物质的当量成正比

(时尚无摩尔单位 )但是由于很多金属有不同的当。当量值 (化合价 )使得法拉第测定的电化当量和或，当时用化学方法测定的当量不尽相同，拉第的理法论遭到忽视和质疑。直到美国物理学家密立根精确测定电子电量，据电解定律求出的阿伏加德罗常根数与其他人用完全不同的方法测定的值相吻合，人们才完全接受了法拉第电解定律。阿伏加德罗常数 N测定的早期历史见表 1。表 1阿伏加德罗常数测定的早期历史

多数教材中，实验选用铜片作为阴极和阳极，该电解液为硫酸铜和硫酸混合溶液。化学反应有：阳极反应： Cu— Cu+ 2 e

阴极反应： + 2一一 Cu Cu e

阴极上 C 得到电子而析出金属铜，阴极铜片 u使质量增加；阳极的金属铜氧化成 Cu溶解于电解液，。

使铜片质量减少。根据铜片的质量变化量即可求得阿伏加德罗常数。2 2电解硫酸法 .

另有些教材中，实验选用铜片作为阳极，该阴极为铜导线，电解液为硫酸溶液，验装置见图 1实。化学反j直有： 阳极反应： Cu— Cu+ 2 e阴极反应： H‘+ 2— H。 2 e

测定时，一根铜导线两端保护层剥去，成 S型将弯后接在电路中，端伸人量气管底部，气管为倒置的一量滴定管，在尖嘴处接一小段乳胶管。先利用洗耳球并

将

量气管内充满电解液，电解时氢气在铜导线裸露处富集，水取气，气收集在量气管中。根据氢气的体排氢

积即可求得阿伏加德罗常数。

上世纪 3 0年代以后，定阿伏加德罗常数的科 测学活动集中于利用 X射线的一系列方法上。7 0年代以后，代 X射线晶体密度法成为研究的重心。这现种方法采用完整单品硅球直接测量硅球的体积，利

用 x射线测量硅的晶格常数和校准气体质谱法准确测定硅原子量，而确定阿伏加德罗常数。当这一从常数测定得足够精确时，能以一定数量的原子重就1电泳仪 ( Y -C北京市六一 D Y6仪器厂 ); 2一滑线式变阻器 (X7 1 B—3上海市艾镇仪器厂 J3量气管； 4硫酸溶液； 5阳极 (片 )一一一铜 6阴极 (S形铜导线)一

新定义质量单位千克，代目前唯一使用的人造实替物千克原器。准确的基本物理常数可提供复现和不变的测量单位系统，科学研究、术发展和日常生为技活提供基本测量单位。因此，伏加德罗常数的测阿定已经成为现代物理、学领域的前沿课题，一项化是非常有意义的研究。

图 l实验装置示意图

上述 2种方法原理基本相同，电解液不同，极因阳反应相同而阴极反应不同，均可利用阴阳两极测得且

数据分别求得阿伏加德罗常数。实验表明，电解硫酸 (铜法 )阴极和阳极测得的结果相对偏差较大，因是原

8 6

实

验

技

术与

管

理

Cu。在阴极上得电子而析出，成的新的 Cu容易脱 。生

准确值尚有一定偏差。本文采用电泳仪完成这个实验，到了更好的效果。实验装置图如图 1示。达所

落，以准确称量。电解硫酸法中 H难得电子而生成 H,于观察、集、量体积和电解时间，极测得 便收计两的结果相对偏差较小；时，法涉及更多的化学和物同该理的理论知识与实验技能，道尔顿分压定律、想气如理体状态方程、体的收集和气压计的使用等，助于理气有论知识的夯实和动手能力的培养，解硫酸法更适用电于基

础化学实验教学。 2 3电源选择 .

3实验结果与讨论3 1实验数据 .

在室温 2 0℃、气压为 1 1 8 P大 0 . 9k a条件下，铜以

片为阳极，导线为阴极，电泳仪电解硫酸溶液，铜用记录阳极铜片减少的质量和阴极富集的氢气的体积，分别计算阿伏加德罗常数。电流强度为 2 0mA。电解 0

实验中普遍选用直流稳压电源，校实验教学一本般选用普通稳压电源，时测得的阿伏加德罗常数约此为 5 6 0 oo (确值为 6 0 2× 1 to )与 .×1 t l准 .2 0 o l,

液的密度用密度计测定，其值为 1 0/ . 2g mL。实验数据见表 2。

表 2测定阿伏加德罗常数数据电解时间a n r i

铜片减少的质量g

阳极测 N1 t o 0 o 1 2 3

氢气体积mI

水柱气压k Pa

氧气气压k Pa

氢的量m m ol

阴极测 NA1 mo一 0 2 3 l1

10

0 0 0 . 4 1 O O 0 . 6 20.0802

1. 8 4 6 2 . 8 4 332.13

1 520 25

0 0 3 .1 0O.1204

3 . 2 9 0 4 .8 7O

3 O

3 2实验讨论及意义 .

失电子，且失去同样数目的电子变成离子溶解后失重大于铜，因此造成阳极失重偏大，计算出的阿伏加德罗常数偏小。通过分析讨论，仅深化了学生对基本概不念的理解，且有效地锻炼了学生观察实验现象、析而分和解决问题的能力。

实验结果的讨论是实验的重要环节。基础化学实验由于受实验条件的限制，出现较大的偏差和一些常意想不到的实验现象，其进行分析，仅可以帮助学对不生深刻理解实验原理，能开阔学生思路，高观察、还提 分析和解决问题的能力。

()电极变色问题的讨论。电解前，保证电路 3为连通，阳极铜片和阴极铜导线都经过打磨，面具有表

( )关于电源选用的讨论。用普通稳压电源， 1测得的阿伏加德罗常数约为 5 6 0。 o。本实验用 .×l。 l o t电泳仪取代稳压电源测定阿伏加德罗常数，阳极测得的 N平均值为 5 9×1。 o, . 4 0。 l效果明显

优于普通 o t稳压电源，验结果的相对误差由原来的 6左右减实 小至 2以内。电泳仪是化学实验常用的仪器，是 也

金属光泽。随着电解过程的进行，阳极铜片浸入电解液的部分逐渐失去光泽，为黑褐色；解一段时变电间后，极铜导线浸入电解液的一端有红褐色物质阴生成。

学生对电极变色问题进行了讨论，初认为阳极起

生物化学实验和科学研究常用的仪器；一机多用不仅

产生的黑褐色物质是氧化铜，很快自我否定了，但因为氧化铜溶解于稀硫酸溶液。经进一步讨论，色物质黑

实现了实验室资源的优化整合，而且有利于培养学生的动手能力。

可能是粉末状态的铜。因为电解时铜片不断溶解，表面失去光泽、得粗糙，成一层松散结构，现黑变形呈褐色。

( )实验偏差的讨论。对于实验偏差的讨论， 2有

些学生认为是测量仪器精度不够造成的，些认为是有操作不当造成的，有些认为两种原因兼而有之。但还这些原因可使得测定的阿伏加德罗常数既可能偏小， 也可能偏大，以解释阳极的测定数据往往偏小则过用于牵强。在教师的启发下，生进一步对测定原理和学实验方法开展讨论，的学生想到了阳极铜片纯度的有问题。尽管本实验选用的阳极是纯度很高的铜，仍但有少量金属杂质，其 Z尤 n和 S比铜性质活泼，易 n更

阴极的红褐色物质可能是副反应生成的铜单质。

电解开始时，电解液 H浓度高，有利于 2+2一一 H e H。反应的进行。随着电解的进行，液中 H溶浓度下降， 浓度上升， u/ u电极电势高于 H H Cu C引 C/,即 C 更易得电子，生副反应 C。 2— C。由 u发 u+ e u于在电解过程中，于 H浓度远大于 Cu,反应由”副

进行的程度很小，引起的偏差可以忽略。

杨

锦，:阿伏加德罗常数测定实验探究等

4结束语 阿伏加德罗常数的测定实验是一个利用化学史对学生进行学科教育和科学素养培养的极佳范例。联系到学生在高中时做过的油膜法测定阿伏加德罗常数和大学物

理实验中的密立根油滴实验测定电子电荷，由

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点及面，现给学生较为完整的科学体系和融会贯通展的思维方法。

[]凌永乐 .学概念和理论的发现[ .京：学Ⅲ版社， 0 1 4化 M]北科 20. []B c e .Hi o ya dp o rs e cu a e e emia ino e 5 ek r P s r n r g e s nt c rt tr n t f h t i h a d o tAv g d oc n tn J .Re rg P y,2 0 ( 4: 9 5 2 0 . o a r o sa tL] pP o h s 0 1 6 ) 14 08

电解法测定阿伏加德罗常数所需设备较为简单常用，及的知识点都是重要的概念、式和定理，涉公 对学生动手能力的培养和理论知识的强化都非常有益。实验过程锻炼了学生的实验操作技能，培养并了学生观察实验现象、析和解决问题的科学研究分能力。该实验学时灵活，于非化学类学生可作为对

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普通实验，于化学类或化学基础较好的院系。作对可

E]徐家，瑞芝，寒琦 .础化学实验[ .京：等教育出版 g门张基 M北高

社，0 . 2 06

为研究型实验开设。引导学生从实验方法和实验仪器等方面进行分析探究，以帮助学生深刻认识实可验原理，确分析误差原因乃至改进实验方法，升正提了实验的教学效果。

t]倪静安，世萍，运涛， .机及分析化学吏验[ .京：等 o高李等无 M]北高教育出版社， 0 6 20. [1 I]崔爱莉 .础化学实验[ .京：等教育出版社，0 7基 M]北高 2 0.

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(上接第 8 0页 )

工性能的测定、阳性能的测定、户热工性能的测遮窗

回路判断湿度和目标值偏差和变化快慢，制器计算控出调节量并通过数模转换器输出一个标准的 0 1 ~ oV

定、内空气品质的测定，室以及人体热适应和热舒适反应等项目的实验研究。参考文献 ( fr n e ) Re ee c s:]王津浩，昔联，琼香， 1罗孔等人【境室综合实验平台的歼发与应环

D C或 4 OmA标准信号控制表冷器制冷量来除湿，~2 同时控制再加热量来控制室内温度一。】3 4软件系统 .

本实验平台采用 KI GVI W软件系统进行系统 N E管理。系统采用远程管理系统，场控制采用中文人现机界面和控制器构成 P I网络对控制器进行管理， P在操作室采用一台计算机和控制器组成 MP I网络对控制器进行远程管理。

用[] J .实验窀研究与探索， 0 7 3 3 - 9 2 0 ( ): 6 3 .

[]杜世春，芳，志敏 .多功能人工环境试验室的研制和实验分析 2王邬[] J .制冷与空调， 0 5 3 5 7 7 2 0, ( ): 4 7 .

[]肖飚，敏，秀， .人 _环境试验室内的数值模拟方法应用与 3史张等 r=试验研究[]流体机械， 0 6 4: 3 6 . J. 2 0 ( ) 6—6

[]王洪春 .植物人 _气候室工程和应用[]可控制环境农业论坛， 4[ R.2 01 6 9 0: .

4结束语 南京工业大学多功能人工环境实验平台的温度、 湿度等参数能按

要求快速达到稳定调节和变工况调

[]吴海昌，沛，穗屏 .人工气候箱环境技术的应用 _]环境技术， 5杨张 J.2 0 2 2 5 0 2( ): - .

[]卓献荣，晓两 .人工环境库诱导式温湿凋控系统设计探讨[]热 6杨 J.科学与技术，0 4 3 9:7 7 . 2 0,( )2卜2 4 []郁建中.自动控制技术[ .北京：京邮电大学出版社，0 8 7 M北 20.[]黄坚 .自动控制原理及其应用[ .北京：等教育出版社， 0 6 8 M]高 20. []张子惠 .热 _测量与自动控制[]北京：国建筑工业出版 9 _ f== M .中社， 0 7 20.

节，有较高的控制精度和稳定性。该实验平台模拟并室外环境的温度范围广 ( 1~4一 5 5℃ )可调，速范且风围大 (~ 2 s。该实验平台对促进建筑环境与设 0 O m/ )

备工程专业的实验教学及相关专业的科学研究具有非常重要的意义。在该实验平台上可开展多种教学或研

[O 1]张建华 .工仪表及自动装置[ .北京：困电力出版社，0 5热 M]中 20.

究为目的实验，如气流组织研究、筑物围护结构热例建

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