运用手持技术测定尿素的摩尔质量

冯雪琦 马宏佳

（南京师范大学课程与教学研究所 化学与材料科学学院 江苏 南京 210046）

一、问题的提出

人教版教材《化学》（九年级下册）在第十一单元《盐化肥》中指出——公路上的积雪可以用氯化钠来消除。在实际的教学过程中，学生对食盐融化积雪的原理不知甚解。原来，非挥发性溶质溶解在溶剂中后，溶液的凝固点会低于纯溶剂，而且其凝固点降低值只与溶质的分子数有关而与溶质的种类无关，这种性质称为稀溶液的依数性。因此，当向积雪中加入氯化钠后，体系凝固点的降低促使冰雪融化。

经查阅资料，在稀溶液中，溶质、溶剂质量已知的前提下，根据溶液凝固点的降低值可以测定出溶质的摩尔质量。本实验即以冰乙酸为溶剂、尿素作溶质，运用手持技术监测溶剂在加入溶质前后凝固点的变化情况，从而计算出尿素的摩尔质量。

二、实验原理

一定压力下，固态物质与液态物质呈相平衡时的温度称为该物质的凝固点。拉乌尔用实验证明了，溶液的凝固点下降ΔTf（即纯溶剂A与溶液B的凝固点之差）与溶液的质量摩尔浓度bB呈正比：

通常情况下，测定凝固点的方法是将溶液逐渐冷却，使其结晶。但是，实际上溶液冷却到凝固点，往往并不析出晶体。这是因为新相的形成需要一定的能量，故结晶并不析出，这就是所谓的过冷现象。然后由于搅拌或加入晶种促使溶剂结晶，由结晶放出的凝固热使体系温度回升至凝固点。

三、实验过程

1.试剂与仪器

Vernier温度传感器及数据采集器、分析天平、酒精灯、试管、烧杯；冰乙酸（分析纯）、尿素（分析纯）、粗盐、冰块。

2.实验步骤

（1）冷剂准备及温度调节

向200mL烧杯中装入适量的冰块和水，取适量粗盐与冰水混合，使冷剂温度达到-2℃~3℃。实验时冷剂应经常搅拌，并间断地补充少量的碎冰或食盐，使冷剂温度基本保持不变。

（2）溶剂凝固点的测定

将Vernier数据采集器、温度传感器、计算机三者连接（见图1）。 双击“Logger Pro”软件，设置采集长度：600秒，取样速度：1样本/秒。向干燥的试管内加入约10mL冰乙酸，加热试管使冰乙酸的温度高于其凝固点。将温度传感器插入试管中，待温度稳定后将其放入冰水浴中（试管中液面高度低于冷水浴液面），并点击 “采集”按钮。用温度计传感器缓慢搅拌，使溶剂较快地冷却。当温度低于凝固点0.2~0.3℃时急速搅拌（防止过冷），促使固体析出。当固体析出时，温度迅速回升，立即改为缓慢匀速搅拌。待数据采集停止后，选中图中的稳定阶段，点击按钮，统计得出此段的平均值即为冰乙酸的凝固点。

（3）溶液凝固点的测定

用分析天平称量mAg冰乙酸和mBg尿素。将准确称量的尿素加入盛有冰乙酸的试管（注意不要粘于试管壁上），加热试管，同（2）测定溶液的温度随时间的变化关系。

图1 实验装置图

3.实验数据与分析

（1）溶剂凝固点的测定

选中温度回升后的平稳阶段进行拟合，求得该段的平均值为15.71℃。如图2，冰乙酸的凝固点是15.71℃。

图2 冰乙酸的冷却曲线

（2）溶液凝固点的测定

图3 实验1中乙酸-尿素体系的冷却曲线

文献中查得冰乙酸的凝固点下降常数为3.9 K·kg·mol-1，五次实验测得的实验数据见表1。

表1 五次实验的实验结果

根据表1中的测量数据可以算出尿素的摩尔质量，其算术平均值为59.93g/mol，实验标准偏差S=0.61g/mol。测量值与理论值（60.06g/mol）的平均误差b=0.13g/mol，相对误差R=0.22%，说明测量结果的准确度较好。

四、实验说明

（1）实验所用试管必须洁净、干燥。

（2）在冷却过程中，使用温度传感器轻轻地充分搅拌，以免把样品溅在试管内壁上。

（3）为了避免冰乙酸的大量挥发，在每次测完冰乙酸的凝固点后，最好都换成新的溶剂，溶入尿素后再测定溶液的凝固点。

（4）根据稀溶液的依数性，溶质加入的量要少；太多则不符合稀溶液的条件，太少凝固点下降不明显。

（5）在冰乙酸-尿素体系中，冰乙酸与尿素发生了缩合反应。在该体系中的溶质即发生了变化，但因反应前后化学计量数相等，且加入尿素的质量符合稀溶液的标准，故消耗的冰乙酸和生成的水对体系的影响，在误差允许的范围内可以忽略不计。且为了降低缩合反应发生的程度，采集数据前对溶液的加热温度不宜过高。

［1］ 课程教材研究所等．化学（九年级下册）［M］．北京：人民教育出版社，2001：68

［2］ 北京师范大学等校．无机化学（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2002：302

［3］ 夏海涛，许越，滕玉洁．物理化学实验（第1版）［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003：37