Question

气体常数是什么？数值是多少？怎样计算？

Answer 1

摩尔气体常数的测定

理想气体状态方程式可表示为：

pV = nRT

上式表示一定量的理想气体的压力（p）和体积(V)的乘积与气体的物质的量(n)和绝对温度(T )的乘积之比为一常数，即气体常数(R)。

R = （1）

因此，对一定量的气体，若能在一定的温度和压力条件下，测出其所占体积，则气体常数即可求得。本实验是采用铝与盐酸反应

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑

所生成的氢气近似的认为在实验条件下为理想气体，再用排水集气法收集并测量其体积，从而测定出气体常数。

由于氢气是在水面上收集的，故氢气的分压(pH2)与水的饱和蒸气压(pH2O)有关，根据分压定律：p = p(H2)+ p(H2O)

则 p(H2) = p － p(H2O)

式中 p为大气压，可由气压计读出。

氢气的物质的量可根据锌的重量和原子量，再由反应式计算出来。

由于p(H2)、V(H2)、n (H2)、T均可由实验测得，这样根据（1）式即可求得气体常数。

二、化学反应热效应的测定

对一化学反应，当生成物的温度与反应物的温度相同，且在反应过程中除膨胀功以外不做其它功时，该化学反应所吸收或放出的热量，称为化学反应热效应。若反应是在恒压条件下进行的，则反应的热效应称为恒压热效应Qp，且此热效应全部增加体系的焓（ΔH），所以有

ΔH = Qp

式中ΔH为该反应的焓变。对于放热反应ΔrHm为负值，对于吸热反应ΔrHm为正值。例如，在恒压条件下，1 mol锌置换硫酸铜溶液中的铜离子时，放出216.8 kJ的热量，即：Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu ΔrHm = – 216.8 kJ·mol－1

测定化学反应热效应的基本原理是能量守恒定律，即反应所放出的热量促使反应体系温度的升高。因此，对上面的反应，其热效应与溶液的质量（m）、溶液的比热（c）和反应前后体系温度的变化（ΔT ）有如下关系：

Qp = – (cmΔT+KΔT )

式中K为热量计的热容量，即热量计本身每升温1度所吸收的热量。

由溶液的密度（d）和体积（V）可得溶液的质量，即：m = dV

若上述反应以每摩尔锌置换铜离子时所放出的热量（千焦）来表示，综合以上三式，可得：

式中n为V毫升溶液中的物质的量。

热量计的热容量可由如下方法求得：在热量计中首先加入温度为T1、重量为W1的冷水、再加入温度为T2、重量为W2的热水，二者混合后，水温为T，则

热量计得热为 q0=(T－T1)K

冷水得热为 q1=(T－T1)W1c水

热水失热为 q2=(T2－T)W2 c水

因此 q0=q2－q1

综合以上四式可得热量计的热容量为

式中c水为水的比热。

若热量计本身所吸收的热量忽略不计，则（1）式可简化为

图 5–2 温度校准曲线

ΔrHm = ΔT

由上式可见，本实验的关键在于能否测得准确的温度值。为获得准确的温度变化ΔT，除精细观察反应时的温度变化外, 还要对影响ΔT的因素进行校正。其校正的方法是：在反应过程中，每隔30秒记录一次温度，然后以温度（T）对时间（t）做图，绘制T—t曲线，如图4–2所示。将曲线AB和CD线段分别延长，再做垂线EF，与曲线交与G点，且使CEG和BFG所围二块面积相等，此时E和F对应的T值之差即为校正后的温差ΔT。