氣體摩爾體積測定實驗的改進

王洋

摘要： 針對上科版高中教材中“氣體摩爾體積測定裝置”中存在的多個不夠完善的地方，利用微量化實驗技術進行實驗方案的改進。經過多次試驗，設計了一套操作簡便、精確度高的裝置，且實驗過程有趣，實驗誤差較小。實踐表明，改進后的實驗裝置更易于學生理解和操作。實驗的改進既是中學化學實驗教學新模式的一種嘗試，也能促進學生對科學概念的深刻理解。

關鍵詞： 氣體摩爾體積測定; 微量化; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2019）8-0077-03 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

2017年版《普通高中化學課程標準》中提出：“認識摩爾是物質的量的基本單位，能用于進行簡單的化學計算，體會定量研究的方法對研究和學習化學的重要作用。認識實驗、假說、模型、比較、分類等科學方法對化學研究的作用。”目前主流教材都遵循“宏觀現象-數據探究-微觀解釋-獲得概念”的邏輯，這符合高中學生的認知規律，體現了數據分析、邏輯推理的理性思維和對氣體分子微觀狀態的想象力，在氣體體積和物質的量之間建立橋梁，簡化了通過質量、密度計算體積的過程，突出了“氣體摩爾體積”的實用價值。

中學化學中“氣體摩爾體積”是一個基本概念，是“物質的量”概念群中一個重要的組成因子。既抽象概括了氣體分子的存在和微觀運動，又展現了氣態物質的物理特性。將實驗探究融入到教學中不但能促進學生對科學概念的深刻理解，又有助于學生形成正確的科學本質觀。“測定1mol氣體的體積”是高中化學定量實驗中的一個重要實驗，如上科版高中教材上的實驗設計（見圖1）[1]。

以該反應式為基礎，通過稱量參與反應的鎂帶質量，推算產生氫氣的物質的量的理論值;再通過實驗測得產物（氫氣）的相關數據（溫度、壓強值）進行計算求得氫氣摩爾體積的實驗值，最后與理論值進行比較。這套裝置（以下稱傳統裝置）因為測定誤差較大，諸如儲液瓶B的設計和讀數方法存在誤差問題、沒有考慮反應的熱效應及水的蒸氣壓等而被詬病，所以一般只用來作為氣體摩爾體積測定的原理進行教學演示，而實際實驗中誤差較大[2]。

理想氣體方程是綜合了多個科學定律的結晶，反過來，“氣體摩爾體積”和“阿伏伽德羅定律”也可以從理想氣體狀態方程推導獲得[3]。基于以上原因，筆者設計了一套試劑耗量小的實驗裝置（以下稱改進裝置），在室溫和常壓下通過快速測定丁烷的相對分子質量，進而探究氣體摩爾體積及氣體常數的推導。

1 ?儀器準備與處理

1.1 ?儀器準備

JA1003N電子天平（上海精密科學儀器有限公司）、PP醫用注射器（刻度為20mL，鎮江康利醫療有限公司）、熱膠槍、一次性塑料打火機（市售）、0.2mm乳膠管

1.2 ?儀器處理

（1） 取一個裝滿丁烷的打火機，拆下頂部金屬防風罩和出氣孔上的彈簧細管，將皮下注射器針頭的尖端插入打火機的出氣孔，用熱熔膠在連接處密封、固定（圖2或圖3）。

（2） 將乳膠管套在PP醫用注射器出氣端，修整使乳膠管剛好可以插入注射器針頭的粗端（可在水中進行氣密性測試）。

2 ?氣體摩爾體積測定過程

2.1 ?實驗步驟與說明

（1） 打開電子天平，秤盤上放一稱量紙，顯示屏示數穩定后按去皮鍵歸零，天平顯示0.0000g。

（2） 稱量插有注射器針頭的打火機的質量，精確至小數位0.0001g。

（3） 連上20mL醫用注射器，摁住打火機放氣閥，把打火機內丁烷收集到注射器中，直至集得約20mL丁烷氣體（收集氣體過程中，氣流速度要均勻而緩慢）。

（4） 收集完畢后，再次稱量打火機（包括針頭）的質量，并計算出前后質量差。

（5） 丁烷的摩爾質量為58g/mol，計算出丁烷氣體在標準狀況下的摩爾體積，并與標準值作比較。

（6） 假設室溫為20℃，大氣壓為1atm，計算出氣體常數R，并與標準值比較。

（7） 重復上述操作，測出多組數據（表1）。

（8） 數據分析與處理。

理想氣體狀態方程為pV=nRT（p為壓強，T為熱力學溫度，R為常數約為8.31， V為體積，n為物質的量）。實驗室測定氣體的摩爾體積，原理如下：

2.2 ?實驗結果

標準狀況下氣體摩爾體積約為22.4L/mol，結合理想氣體方程可求得實驗條件（20℃，1atm）下的氣體摩爾體積約為24.04L/mol。

配合精密天平，在已知氣體摩爾質量的基礎上，該裝置還可以用來測定其他氣體（如二氧化碳等），實驗結果也都比較理想。

3 ?裝置創新點與實驗感悟

氣體摩爾體積的測定原理： Vm=Vn=Vm/M，對于已知摩爾質量的氣體，只需要測定氣體的體積和氣體的質量。實驗改進的最大特點是將間接測量的數據（氣體的質量和氣體的體積）變為直接測量，不僅操作簡單，而且誤差小。

上科版教材上氣體摩爾體積測定裝置，考慮到實際測量氣體的質量與氣體的體積不便，通過金屬鎂與稀硫酸發生反應，將氫氣的質量與金屬鎂的物質的量進行關聯計算;氣體的體積較難測定，通過排開儲液瓶中的液體并收集，進行測量。由于數據是間接測量，就可能引入更多的實驗誤差，例如鎂帶未完全除盡表面的氧化物、反應中產生的氣體的溫度升高或者裝置漏氣等，給整個實驗帶來較大的誤差[4]。

在傳統的實驗中，認為測定氣體的體積比測定氣體的質量要容易，而我們改進的微量化實驗裝置，通過采用打火機放出純凈的丁烷氣體，利用注射器和電子天平可以方便迅速地直接測量氣體的體積和質量，進而可以求得氣體的摩爾體積。變間接測量為直接測量，誤差小，實驗操作簡便精確。本改進實驗方案中每次實驗消耗試劑不到0.05g，屬微量化實驗。所謂的微量化實驗就是在保證試劑用量小、污染少、省時間、易操作的同時，仍可使用常規儀器、裝置，仍能達到常規演示實驗的可見度[5， 6]。

改進后實驗裝置的優點： （1）實驗微量化但可見度高;（2）實驗精確度高;（3）可操作性強;（4）實驗取材方便且有趣。總之，這套實驗裝置結構簡單、微量化、操作簡易、制作難度低、實驗原理通俗易懂。整套裝置的制作只需打火機一個、注射器一只、電子天平一架、相應的少許輔助器材即可;實驗中使用20mL、 60mL的注射器進行多次實驗，實測的誤差精度均在±1%之間;操作簡單，容易上手，無論是教學演示還是讓學生動手操作都安全可行。

在整個試驗過程中，一開始就盡力通過不同實驗條件和方法探究排除所有外界干擾，減小實驗誤差。曾考慮到將裝置放入水中探討空氣中和水壓狀態下，比較實驗結果的差異;考慮到大氣浮力是否會對整個系統產生影響;還考慮了溫度的熱交換是否會對實驗產生誤差;甚至試驗了不同規格的注射器（10mL、 20mL、 60mL、 100mL），從中選擇20mL規格的注射器可使實驗誤差達到最小化。通過一次次的失敗和改進契機，才換來裝置的成功。

利用改進后的裝置，還可以很好地在課堂上直接測定其他氣體（例如二氧化碳等）的氣體摩爾體積，并進行相關的探究與比較，探討進一步減小誤差的可行性研究。該裝置不僅課堂演示方便，也便于學生進行實驗操作，希望能在教學中被推廣，進而優化相關實驗教學。

參考文獻：

[1][2]榮鳳娜. 利用手持技術探究“氣體摩爾體積實驗”[J]. 化學教學， 2014， （12）： 56～57.

[3]歷晶， 鄭長龍， 婁延果. “氣體摩爾體積”教學邏輯評析[J]. 化學教育， 2011， （10）： 37～40.

[4]張集川， 閔庶弘. “測定1mol氣體的體積”實驗方法及裝置的改進[J]. 化學教學， 2008， （8）： 13.

[5]張鳳瓊. 初中化學微量化實驗的研究[J]. 化學教學， 2010， （6）： 15～17.

[6]李光珍. 五個高中化學實驗的微量化改進[J]. 化學教學， 2014， （5）： 57～58， 81.