气体摩尔体积测定实验的改进

王洋

摘要： 针对上科版高中教材中“氣体摩尔体积测定装置”中存在的多个不够完善的地方，利用微量化实验技术进行实验方案的改进。经过多次试验，设计了一套操作简便、精确度高的装置，且实验过程有趣，实验误差较小。实践表明，改进后的实验装置更易于学生理解和操作。实验的改进既是中学化学实验教学新模式的一种尝试，也能促进学生对科学概念的深刻理解。

关键词： 气体摩尔体积测定; 微量化; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2019）8-0077-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

2017年版《普通高中化学课程标准》中提出：“认识摩尔是物质的量的基本单位，能用于进行简单的化学计算，体会定量研究的方法对研究和学习化学的重要作用。认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学研究的作用。”目前主流教材都遵循“宏观现象-数据探究-微观解释-获得概念”的逻辑，这符合高中学生的认知规律，体现了数据分析、逻辑推理的理性思维和对气体分子微观状态的想象力，在气体体积和物质的量之间建立桥梁，简化了通过质量、密度计算体积的过程，突出了“气体摩尔体积”的实用价值。

中学化学中“气体摩尔体积”是一个基本概念，是“物质的量”概念群中一个重要的组成因子。既抽象概括了气体分子的存在和微观运动，又展现了气态物质的物理特性。将实验探究融入到教学中不但能促进学生对科学概念的深刻理解，又有助于学生形成正确的科学本质观。“测定1mol气体的体积”是高中化学定量实验中的一个重要实验，如上科版高中教材上的实验设计（见图1）[1]。

以该反应式为基础，通过称量参与反应的镁带质量，推算产生氢气的物质的量的理论值;再通过实验测得产物（氢气）的相关数据（温度、压强值）进行计算求得氢气摩尔体积的实验值，最后与理论值进行比较。这套装置（以下称传统装置）因为测定误差较大，诸如储液瓶B的设计和读数方法存在误差问题、没有考虑反应的热效应及水的蒸气压等而被诟病，所以一般只用来作为气体摩尔体积测定的原理进行教学演示，而实际实验中误差较大[2]。

理想气体方程是综合了多个科学定律的结晶，反过来，“气体摩尔体积”和“阿伏伽德罗定律”也可以从理想气体状态方程推导获得[3]。基于以上原因，笔者设计了一套试剂耗量小的实验装置（以下称改进装置），在室温和常压下通过快速测定丁烷的相对分子质量，进而探究气体摩尔体积及气体常数的推导。

1  仪器准备与处理

1.1  仪器准备

JA1003N电子天平（上海精密科学仪器有限公司）、PP医用注射器（刻度为20mL，镇江康利医疗有限公司）、热胶枪、一次性塑料打火机（市售）、0.2mm乳胶管

1.2  仪器处理

（1） 取一个装满丁烷的打火机，拆下顶部金属防风罩和出气孔上的弹簧细管，将皮下注射器针头的尖端插入打火机的出气孔，用热熔胶在连接处密封、固定（图2或图3）。

（2） 将乳胶管套在PP医用注射器出气端，修整使乳胶管刚好可以插入注射器针头的粗端（可在水中进行气密性测试）。

2  气体摩尔体积测定过程

2.1  实验步骤与说明

（1） 打开电子天平，秤盘上放一称量纸，显示屏示数稳定后按去皮键归零，天平显示0.0000g。

（2） 称量插有注射器针头的打火机的质量，精确至小数位0.0001g。

（3） 连上20mL医用注射器，摁住打火机放气阀，把打火机内丁烷收集到注射器中，直至集得约20mL丁烷气体（收集气体过程中，气流速度要均匀而缓慢）。

（4） 收集完毕后，再次称量打火机（包括针头）的质量，并计算出前后质量差。

（5） 丁烷的摩尔质量为58g/mol，计算出丁烷气体在标准状况下的摩尔体积，并与标准值作比较。

（6） 假设室温为20℃，大气压为1atm，计算出气体常数R，并与标准值比较。

（7） 重复上述操作，测出多组数据（表1）。

（8） 数据分析与处理。

理想气体状态方程为pV=nRT（p为压强，T为热力学温度，R为常数约为8.31， V为体积，n为物质的量）。实验室测定气体的摩尔体积，原理如下：

2.2  实验结果

标准状况下气体摩尔体积约为22.4L/mol，结合理想气体方程可求得实验条件（20℃，1atm）下的气体摩尔体积约为24.04L/mol。

配合精密天平，在已知气体摩尔质量的基础上，该装置还可以用来测定其他气体（如二氧化碳等），实验结果也都比较理想。

3  装置创新点与实验感悟

气体摩尔体积的测定原理： Vm=Vn=Vm/M，对于已知摩尔质量的气体，只需要测定气体的体积和气体的质量。实验改进的最大特点是将间接测量的数据（气体的质量和气体的体积）变为直接测量，不仅操作简单，而且误差小。

上科版教材上气体摩尔体积测定装置，考虑到实际测量气体的质量与气体的体积不便，通过金属镁与稀硫酸发生反应，将氢气的质量与金属镁的物质的量进行关联计算;气体的体积较难测定，通过排开储液瓶中的液体并收集，进行测量。由于数据是间接测量，就可能引入更多的实验误差，例如镁带未完全除尽表面的氧化物、反应中产生的气体的温度升高或者装置漏气等，给整个实验带来较大的误差[4]。

在传统的实验中，认为测定气体的体积比测定气体的质量要容易，而我们改进的微量化实验装置，通过采用打火机放出纯净的丁烷气体，利用注射器和电子天平可以方便迅速地直接测量气体的体积和质量，进而可以求得气体的摩尔体积。变间接测量为直接测量，误差小，实验操作简便精确。本改进实验方案中每次实验消耗试剂不到0.05g，属微量化实验。所谓的微量化实验就是在保证试剂用量小、污染少、省时间、易操作的同时，仍可使用常规仪器、装置，仍能达到常规演示实验的可见度[5， 6]。

改进后实验装置的优点： （1）实验微量化但可见度高;（2）实验精确度高;（3）可操作性强;（4）实验取材方便且有趣。总之，这套实验装置结构简单、微量化、操作简易、制作难度低、实验原理通俗易懂。整套装置的制作只需打火机一个、注射器一只、电子天平一架、相应的少许辅助器材即可;实验中使用20mL、 60mL的注射器进行多次实验，实测的误差精度均在±1%之间;操作简单，容易上手，无论是教学演示还是让学生动手操作都安全可行。

在整个试验过程中，一开始就尽力通过不同实验条件和方法探究排除所有外界干扰，减小实验误差。曾考虑到将装置放入水中探讨空气中和水压状态下，比较实验结果的差异;考虑到大气浮力是否会对整个系统产生影响;还考虑了温度的热交换是否会对实验产生误差;甚至试验了不同规格的注射器（10mL、 20mL、 60mL、 100mL），从中选择20mL规格的注射器可使实验误差达到最小化。通过一次次的失败和改进契机，才换来装置的成功。

利用改进后的装置，还可以很好地在课堂上直接测定其他气体（例如二氧化碳等）的气体摩尔体积，并进行相关的探究与比较，探讨进一步减小误差的可行性研究。该装置不仅课堂演示方便，也便于学生进行实验操作，希望能在教学中被推广，进而优化相关实验教学。

参考文献：

[1][2]荣凤娜. 利用手持技术探究“气体摩尔体积实验”[J]. 化学教学， 2014， （12）： 56～57.

[3]历晶， 郑长龙， 娄延果. “气体摩尔体积”教学逻辑评析[J]. 化学教育， 2011， （10）： 37～40.

[4]张集川， 閔庶弘. “测定1mol气体的体积”实验方法及装置的改进[J]. 化学教学， 2008， （8）： 13.

[5]张凤琼. 初中化学微量化实验的研究[J]. 化学教学， 2010， （6）： 15～17.

[6]李光珍. 五个高中化学实验的微量化改进[J]. 化学教学， 2014， （5）： 57～58， 81.