|
|
| 2003年上海市“白猫杯”青少年应用化学与技能竞赛（高中组）决赛实验考试 |
|
|
|
|
2003年上海市“白猫杯”青少年应用化学与技能竞赛决赛
高中组实验考试卷一
编号区（县）学校年级姓名
考试须知：
1、竞赛答案全部写在试卷上，使用黑色或蓝色圆珠笔、签字笔或钢笔答题，用红色笔或铅笔所作的答案一概作废无效。
2、姓名、准考证号和所属区、县、学校必须填写在试卷纸上方指定位置，写在它处者按废卷处理。
3、允许使用非编程计算器及直尺等文具。
4、本试卷满分为100分（卷一：40分；卷二：60分）。
5、须用的相对原子质量：C—12，H—1，O—16
6、卷一完成时间：40分钟；卷二完成时间：80分钟。
课题实验室节约能源的探索
能源问题是当今世界重大的社会问题之一。目前，世界各国所用的燃料大部分是矿石燃料，然而矿石燃料的资源有限。根据现有的矿藏资料表明，按目前的能源消耗水平，地球上石油和天然气资源只能开采50年左右，煤也只能开采200年左右。因此可以认为，能源问题已是迫在眉睫、亟待解决的问题。解决的问题包括开发新能源和节约现有能源两个方面。在开发新能源的问题解决之前，节约能源具有十分重大的意义。显然，节约能源的实质是提高能源的利用率，包括能源能量的充分释放和能量利用率的提高。前者是要求燃料完全燃烧，后者是防止能量的无端散失。
实验室中所用燃料主要是煤气和酒精，本次实验要求对酒精燃烧时能量的利用率问题进行一些简单的探索。
请你运用提供的物品，自行设计实验方案，完成以下各项数据的测定：
通常情况下用酒精灯加热（以加热烧杯中的水为例）时，酒精能量的利用率。
问题①根据你的理解，试对“酒精能量的利用率”下一个定义。
②要测定酒精的能量利用率，必须首先获得什么数据？
③如何通过实验测定“被利用的酒精能量值”？（联系物理学中的热学知识思考）
利用酒精灯防风罩加热时的酒精能量利用率。
使用还原焰加热时的酒精能量利用率。
提供的物品：铁架台，铁圈，石棉网，烧杯（150mL），温度计（100℃），电子天平，酒精灯，隔热罩，酒精灯防风罩，锥形瓶（150mL，配单孔橡皮塞），温度计（100℃），坩埚，抗菌素瓶，灯芯帽（附灯芯），移液管（10mL），吸球、火柴，无水酒精。
实验方案设计（要求写出实验步骤和回答有关问题）
通常情况下用酒精灯加热时，酒精能量利用率的测定
利用酒精灯防风罩加热时，酒精能量利用率的测定
使用还原焰加热时，酒精能量利用率的测定
2003年上海市“白猫杯”青少年应用化学与技能竞赛决赛
高中组实验考试卷二
编号区（县）学校年级姓名
课题实验室节约能源的探索
原理
酒精燃烧的化学方程式：C2H5OH（l）＋3O2（g）→2CO2（g）＋3H2O（l）＋Q
式中Q为酒精的燃烧热，单位是kJ∕mol。
酒精热量利用率的涵义如下式：
酒精热量利用率＝＝
因此，要测定酒精热量的利用率，首先要知道酒精的燃烧热。
在隔热罩中，利用酒精燃烧产生的热量加热已知质量的水，根据加热前后水的温度差（△t）以及水的热容，即可算出水吸收的热量值，即被利用的酒精燃烧的热量。
备用物品
马粪纸，制作隔热罩的图样，剪刀，双面胶带，锥形瓶（150mL），温度计（100℃），坩埚，抗菌素瓶，电子天平，无水酒精，火柴，移液管（10mL），吸球，碎滤纸，铁架台，铁圈，石棉网，烧杯（150mL），酒精灯，酒精灯防风罩，量筒（100mL）等
实验步骤
1、酒精燃烧热的测定（实验装置见图1）
隔热罩的制作
用马粪纸按提供的图样剪成纸坯，按纸坯高度剪一段双面胶带，粘贴在纸坯上指定的粘贴处。利用该纸坯可按图制作成一个高约18cm、上部口径大小正好能卡住锥形瓶口的圆锥形筒。在距纸筒口约11cm处开一个2cm见方的观察窗口，纸筒下端剪成锯齿形，以便空气流通。这就是本实验应用的隔热罩。
揭掉胶粘带的防粘层，将空的锥形瓶从隔热罩的下端放入，锥形瓶口穿过隔热罩口，使隔热罩口紧紧卡住锥形瓶口，将隔热罩下方的喇叭口尽可能撑大些（以不影响上端卡住锥形瓶为原则），再用胶粘带固定。上述制作完成后，将隔热罩竖立在桌上不应十分歪斜，否则罩的下端边缘须作修剪。
坩埚中用移液管移入10mL水
抗菌素瓶中倒入约瓶体1/4的无水酒精，瓶口插入灯芯帽。
用量筒量取100mL水，倒入锥形瓶中，瓶口塞上带温度计的单孔塞，温度计的水银探头应完全浸入水中。
记下锥形瓶中的水温（t1）和坩埚中的水温（t2）。
将盛无水酒精的抗菌素瓶置于电子天平上称量（m1），并将其浸入坩埚的水中。
点燃抗菌素瓶上的灯芯，立即把隔热罩（连同锥形瓶）罩上（如图1）。罩隔热罩时应随时从观察口观察燃烧的情况，切勿让其熄火，否则操作（6）～（8）须重做。（罩隔热罩时若发现火焰有熄灭的趋势，可以将隔热罩稍稍向上提一些）
观察锥形瓶中水温的变化，当△t＞20℃时，可将火焰熄灭。此时移开隔热罩。立即从坩埚中取出抗菌素瓶，用卷筒纸擦干瓶外的水后，立即称量（m2）。
测量坩埚中的水温（t3）（因温度计显示温度有滞后现象，故应读取最高温度，下同）和锥形瓶中的水温（t4）。
计算酒精的燃烧热
Q＝
式中：V1—锥形瓶中水的体积，V2—坩埚中水的体积，C—水的比热（4.18J/g·deg），d—水的密度，f—校正系数（取值15）
（12）上述实验重复一次，取两次实验结果的平均值，并根据黑板上公布的文献值计算误差。
2、通常情况下用酒精灯加热（烧杯中的水）时酒精热量利用率的测定
按右图装置仪器。
用量筒量取100mL水，倒入烧杯中。
测量水温（t1）
酒精灯（连盖）在电子天平(或台秤)上称量（m1）
点燃酒精灯，加热烧杯中的水，直至△t＞20℃。
熄灭酒精灯，连盖称重（m2）
测量水温（最高温度t2）
计算：酒精热量利用率＝
实验重复一次，取平均值。
加酒精灯防风罩加热时酒精热量利用率的测定
除加热时酒精灯上加防风罩外，其余操作同实验2。
4、用还原焰加热时，酒精热量利用率的测定
将酒精灯去盖放在铁架台上，调整铁圈高度使石棉网与酒精灯灯芯的距离约为1cm左右。然后按实验2的步骤进行实验。
实验报告
（一）记录和计算
1、酒精燃烧热的测定（表一）
第一次 第二次 水的密度（d）(g/cm3) 水的比热（C）（J/g·deg） 锥形瓶中水的体积（V1）（mL） 坩埚中水的体积（V2）（mL） 燃烧前抗菌素瓶的质量（m1）(g) 燃烧后抗菌素瓶的质量（m2）(g) 耗去酒精的质量（m1－m2）(g) 加热前锥形瓶中的水温（t1）℃ 加热后锥形瓶中的水温（t4）℃ 锥形瓶中水温的上升值(t4－t1)℃ 燃烧前坩埚中的水温（t2）℃ 燃烧后坩埚中的水温（t3）℃ 坩埚中水温的上升值(t3－t2)℃ 校正系数（f） 酒精的燃烧热（Q燃）kJ/mol 酒精燃烧热（平均值）kJ/mol 误差
第一次：Q燃=第二次：Q燃=
平均值：=
2、通常情况下用酒精灯加热时酒精热量利用率的测定（表2）
第一次 第二次 水的密度（d）(g/cm3) 水的比热（C）（J/g·deg） 水的体积（V）mL 加热前水温（t1）℃ 加热后水温（t2）℃ 燃烧前酒精灯的质量（m1）(g) 燃烧后酒精灯的质量（m2）(g) 校正系数（f） 酒精热量的利用率 酒精热量的利用率（平均）
第一次：酒精能量利用率=第二次：酒精能量利用率=
酒精能量利用率（平均）=
加防风罩加热时酒精热量利用率的测定（表3）
第一次 第二次 水的密度（d）(g/cm3) 水的比热（C）（J/g·deg） 水的体积（V）mL 加热前水温（t1）℃ 加热后水温（t2）℃ 燃烧前酒精灯的质量（m1）(g) 燃烧后酒精灯的质量（m2）(g) 校正系数（f） 酒精灯热量的利用率 酒精热量的利用率（平均）
第一次：酒精能量利用率=第二次：酒精能量利用率=
酒精能量利用率（平均）=
用还原焰加热时酒精热量利用率的测定（表4）
第一次 第二次 水的密度（d）(g/cm3) 水的比热（C）（J/g·deg） 水的体积（V）mL 加热前水温（t1）℃ 加热后水温（t2）℃ 燃烧前酒精灯的质量（m1）(g) 燃烧后酒精灯的质量（m2）(g) 校正系数（f） 酒精灯热量的利用率 酒精热量的利用率（平均）
第一次：酒精能量利用率=第二次：酒精能量利用率=
酒精能量利用率（平均）=
（二）、讨论
本次实验带给你哪些启示？你对提高实验室燃料能量利用率方面还有哪些设想（举出三项）？
本次实验（以实验1为例）所用计算式中的校正系数f的涵义是什么（它校正哪些因素引起的误差，举出三项）？如果不加校正系数，将引起怎样的误差（正误差或负误差）？
你对本实验有何改进建议？
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
