解讀氣體體積的測量問題

蘭建祥

測量氣體體積是學(xué)生應(yīng)該掌握的一項(xiàng)基本的實(shí)驗(yàn)技能，但很多學(xué)生因缺少動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，對其中某些問題的認(rèn)識常常是模凌兩可或一知半解甚至是疑惑不解，現(xiàn)將有關(guān)問題歸納解讀如下。

一、常用的測量方法

既可直接測量氣體體積，也可通過測量氣體排出的液體體積來確定氣體的體積。

1.直接測量法

將氣體通入量筒、量氣管（滴定管）、注射器等帶有刻度的容器中，直接讀取氣體的體積，裝置一般由氣體發(fā)生裝置、量氣裝置兩個部分組成（見表1）。

優(yōu)缺點(diǎn)裝置簡單，但精度低，調(diào)平內(nèi)外液面困難反應(yīng)與量氣二合一裝置繁瑣，但精度較高，調(diào)平左右液面方便操作簡便，但精度低

2.間接測量法（排液法）

利用氣體將液體排入量筒、量氣管（滴定管）、液體量瓶等儀器中，通過測量所排出液體的體積從而得出氣體體積；裝置一般由氣體發(fā)生裝置、排液裝置和量液裝置三個部分組成（見表2）。

優(yōu)缺點(diǎn)裝置簡單，但導(dǎo)液管中駐留的液體會造成誤差裝置繁瑣，但精度高，調(diào)平左右液面方便裝置和操作復(fù)雜（需借助注射器注入精確體積的反應(yīng)液和抽氣調(diào)壓），但精度較高（V氣體=V量瓶中液體-V反應(yīng)液）

3.注意事項(xiàng)

（1）考慮溫度、壓強(qiáng)對氣體體積測量的影響：因測定氣體的溫度和壓強(qiáng)比較困難，故實(shí)驗(yàn)前后應(yīng)盡量保持裝置內(nèi)外的溫度和壓強(qiáng)與環(huán)境的溫度和壓強(qiáng)一致。為此，應(yīng)等氣體的溫度降至室溫后，再采取措施調(diào)節(jié)內(nèi)外液面相平，使得容器內(nèi)的氣壓等于大氣壓，最后再讀數(shù)。

（2）考慮氣體的溶解性對氣體體積測量的影響：難溶于水的氣體，液體一般用水；可溶于水的氣體，可用合適的飽和溶液（如收集Cl2可用飽和食鹽水，收集CO2可用飽和NaHCO3溶液）；易溶于水但難溶于有機(jī)溶劑的氣體，可在水面上覆蓋一層有機(jī)溶劑來防止氣體的溶解而導(dǎo)致的誤差。

（3）考慮有關(guān)量器的量程：量筒、量氣管、滴定管或針筒等都有固定的最大容量，需考慮藥品的用量與容器容量的匹配，以防止氣體的量太多導(dǎo)致無法全部收集使得實(shí)驗(yàn)失敗，或氣體的量太少使得誤差增大。

（4）其他：通過排液法測量氣體體積時(shí)，儲液裝置中的雙導(dǎo)管必須“短管進(jìn)長管出”；讀數(shù)時(shí)視線與凹液面最低處相平等。

二、問題釋疑

1.圖1所示的兩個裝置有何區(qū)別？

兩個裝置剛好是將直型管與量氣管的位置互換，導(dǎo)致測定體積的原理不同：前者是用帶有刻度的量氣管收集氣體，直接測量氣體的體積；后者是用直型管收集氣體，將液體排入量氣管，間接測量氣體體積。

2.下列兩套裝置有何缺點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)？

缺點(diǎn)：硫酸與鋅反應(yīng)放熱且生成氣體，使廣口瓶中氣壓增大，導(dǎo)致酸液難以流下；注入的稀硫酸難以計(jì)量體積而使測定的氣體體積偏大；連接廣口瓶和量筒的導(dǎo)管中駐留的水使測定的氣體體積偏小；讀數(shù)前，難以調(diào)節(jié)兩邊的液面相平。

優(yōu)點(diǎn)：使用恒壓分液漏斗，保持漏斗與錐形瓶內(nèi)的氣壓相等，使得分液漏斗中的液體能順暢流下；滴入錐形瓶的硫酸體積等于進(jìn)入分液漏斗的氣體體積，消除了加入稀硫酸引起的測定誤差；不存在導(dǎo)液管中駐留的水對測定的影響；打開開關(guān)K便于向量氣管中注液并保持兩邊液面相平；讀數(shù)前通過上下移動量氣管即可調(diào)節(jié)左右液面相平。

3.讀數(shù)前，為什么要調(diào)整液面相平？

以圖2裝置A和B為例。假設(shè)通入氣體后的液面如圖所示。

對裝置A：量氣管內(nèi)的氣體壓強(qiáng)p氣體與外界大氣壓p大氣的關(guān)系為：p氣體=p大氣+ρ水gh，顯然，量氣管內(nèi)的氣體被壓縮，將使得測量的體積偏低。

對裝置B：量氣管內(nèi)的氣體壓強(qiáng)p氣體與外界大氣壓p大氣的關(guān)系為：p氣體=p大氣-ρ水gh，顯然，量筒內(nèi)的氣壓偏小，將使得測量的體積偏大。

由此可知，讀數(shù)前必須有關(guān)的液面相平，使得被收集的氣體壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)相等，從而使測量更準(zhǔn)確。

4.下列情況對測量有無影響？

（1）通入氣體前，收集氣體的容器中滯留有空氣

。無論是直接測量還是間接測量，均可以通過通入氣體前后的兩次讀數(shù)之差來計(jì)量氣體體積（V氣體=V2-V1），故通入氣體前，收集氣體的容器無需充滿液體，即原來滯留的空氣不影響測定。

實(shí)際上，量氣管、滴定管等的上端無刻度，實(shí)驗(yàn)前注液和通入氣體后的液面都不能超過“0”刻度，否則無法進(jìn)行讀數(shù)；并且，若注水量過多，通氣時(shí)將使液體溢出。

若使用倒置量筒法側(cè)氣體體積，一般先使量筒充滿水，然后通過一次讀數(shù)直接讀出氣體體積。

（2）通入氣體過程中有液體溢出。若是直接測量氣體體積，則液體只取液封作用，液體的溢出對測量沒有影響；若是用排液法測量氣體體積，則液體的溢出將導(dǎo)致測量結(jié)果偏低。

（3）反應(yīng)生成的氣體在反應(yīng)裝置中有滯留。滯留的氣體體積等于從試管中排出的空氣體積，故對測量沒有影響。

5.如何檢查裝置的氣密性？

方法是通過一定的操作形成液面差，觀察液面差有無變化。以右圖所示裝置為例：

方法一：關(guān)閉分液漏斗活塞和開關(guān)K，從量氣管注水，使量氣管中的液面高于干燥管中的液面，靜置，若液面差保持不變，則證明氣密性良好。

方法二：打開K，向量氣管注水，再關(guān)閉K，從分液漏斗注水，使量氣管中的液面高于干燥管中的液面，靜置，若液面差保持不變，則證明氣密性良好。

方法三：打開K，向量氣管注水，再關(guān)閉分液漏斗活塞和開關(guān)K，用酒精燈微熱燒瓶，若量氣管中的液面上升，且停止加熱后，上升的水柱不再下降，則證明氣密性良好。

方法四：打開K，向量氣管注水，再關(guān)閉分液漏斗活塞和開關(guān)K，上提量氣管，靜置，若量氣管中的液面高于干燥管中的液面，且液面差保持不變，則證明氣密性良好。

三、典型題例

為測定已部分變質(zhì)的過氧化鈉樣品的純度，設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，圖中Q為彈性良好的氣球，稱取一定量的樣品放入其中，按如圖所示的裝置安裝好儀器，打開分液漏斗的活塞，將稀硫酸滴入氣球中。

請回答下列問題：

（1）Q內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：，。

（2）為測定反應(yīng)時(shí)生成氣體的總體積，滴稀H2SO4前必須關(guān)閉（填“K1”、“K2”或“K3”，下同），打開。

（3）當(dāng)上述反應(yīng)停止時(shí)，將K1、K2、K3均關(guān)閉，然后先打開K2，再緩緩打開K1，這時(shí)可觀察到的現(xiàn)象是。

（4）b中裝的固體試劑是，為何要緩緩打開K1？。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，量筒Ⅰ中有x mL水，量筒Ⅱ中收集到y(tǒng) mL氣體，則過氧化鈉的純度是（用含x、y的式子表示，上述體積均已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況）。

解析變質(zhì)的Na2O2中可能含有碳酸鈉，樣品與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)：2Na2O2+2H2SO42Na2SO4+O2↑+2H2O、H2SO4+Na2CO3Na2SO4+CO2↑+H2O。測定Na2O2的純度，可通過直接測定CO2和O2的體積，然后經(jīng)換算求出。將稀H2SO4加入氣球前，關(guān)閉K1和K2，打開K3，反應(yīng)結(jié)束時(shí)氣球膨脹的體積與量筒Ⅰ中所接收的水的體積相等，此為CO2與O2的體積之和。待氣球中反應(yīng)完全后，關(guān)閉K3，打開K2，再緩緩打開K1，此時(shí)氣球漸癟，氣體會經(jīng)干燥管b進(jìn)入量筒Ⅱ，CO2被干燥管中的吸收劑吸收，量筒Ⅱ中收集到氣體的體積即為O2的體積。由題意可知，CO2和O2的總體積為x mL，O2的體積為y mL，故CO2的體積為（x-y） mL，可知Na2O2與Na2CO3的物質(zhì)的量之比為2y∶（x-y），則Na2O2的純度為

w（Na2O2）=2y×782y×78+106x-y×100%=78y53x+25y×100%。

答案：（1）2Na2O2+2H2SO42Na2SO4+O2↑+2H2O，

H2SO4+Na2CO3Na2SO4+CO2↑+H2O；

（2）K1、K2，K3；

（3）氣球Q慢慢變小，氣體進(jìn)入量筒Ⅱ中；

（4）堿石灰 控制氣體的流速，使CO2被充分吸收；（5）78y53x+25y×100%

（收稿日期：2014-12-08）