对“量气分析法”的再认识及其对实验教学的启迪
顾松挺
（宁波市镇海中学 315200）
摘要 “量气分析法”是一种重要的定量实验方法，但许多中学化学教师和学生对其相关装置和操作原理的认识存在严重的欠缺和局限性，教学过程存在表面化倾向。本文着重对“量气分析法”的装置、原理、误差分析及操作注意事项进行探讨和再认识，共同学习，提高对“量气分析法”的深入了解和应用的熟练程度，有效提高学生在化学实验方面的素养和能力。
关键词 量气分析法 再认识 素养和能力
定量实验是中学化学实验的重要组成部分，是学生形成定量观的重要载体，可以培养学生的科学素养，有着其它定性实验所不能替代的功能。但是，定量实验属于中学化学实验教学难度较大、综合性较强的内容，主要涉及“重量分析法”、“滴定法”、“量气分析法”和各种“现代仪器分析”。对于各种“现代仪器分析”，中学化学涉及的问题大多局限于通过信息阅读初步理解测定原理、实验结果的数据分析和处理，一般不涉及具体的仪器装置、实验步骤和操作方法等内容。
相对另两种定量实验方法，许多学生对“量气分析法”的掌握情况、应用的能力水平和熟练程度，远远不及。我们有必要对“量气分析法”的装置、原理、误差分析及操作注意事项进行探讨和再认识，共同学习，加深理解，提高熟练运用的能力和水平层次。
1 中学化学中常见的量气装置和考查重点
1.1 “量气分析法”在化学实验中的应用
“量气分析法” 在化学实验中的应用很广泛。常见的有：通过测定乙醇跟钠反应放出的氢气体积研究乙醇的分子结构、通过测定CO2的体积来测定碳酸盐或碳酸氢盐的纯度、通过产生O2的体积测定过氧化钠（含NaOH或Na2CO3等杂质）的纯度、通过产生N2的体积测定氨基酸或蛋白质的含氮量、通过与酸反应氢气的体积测定钢铁中含碳量、……等。
从理论上说，所有与化学反应产生的气体存在定量关系的物质均可用量气分析法进行定量研究组成、结构或测定纯度。
各种化学考试复习资料对中学化学中常用的量气装置有较多的介绍。在各种考试题或模拟试题中也经常考查学生对实验装置或原理的理解和应用、设计能力。主要有以下几种：
甲 乙 丙 丁 戊
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其中，注射器虽然操作方便，但毕竟不属于规范的化学定量仪器，刻度比较粗略，只能收集和大致测量气体体积，准确性较差。
1.2 中学化学试题中对“量气分析法”的考查重点
在相关装置的考查题目中，最常见的问题是：“排水量气法在读数时应该注意的事项有哪些？”对于这个问题，多数老师能在教学中强调，学生基本能够回答。读数时的注意事项主要包括三点：①读数之前应先冷却到室温，在上下移动右侧水准管（或量筒、）使左右两侧（或量筒内外）液面相平；②待液面稳定后在读数；③读书时平视，凹液面最低处与刻度线水平相切。 1.3 高中生学习和应用量气分析法时存在的问题及原因分析
在涉及量气分析法的教学中，我们发现学生对的问题掌握情况较好，以下几个问题往往难以理解： ①运用量气分析法进行相关定量测定时，除了要准确测定相应气体的体积外，为什么必须测定实验时的室温、室压？
②为什么要将装置中的气体恢复到室温？如果不回复到室温，对实验结果有何影响？如何判断已恢复到室温？
③前述甲、乙两种量气装置中为什么插入量筒中的导管必须有足够的长度？
④反应装置中反应结束后，调节甲、乙装置中左右两管液面相平或调节丙、丁装置中量筒的高度使其内外液面相平的目的是什么？如果左右两管或量筒内外的液面不相平，对实验结果有何影响？
⑤以上三点读数前的注意事项在实际操作中的先后顺序如何？
⑥对于“上下移动水准管，调节量气管和水准管液面相平”的操作步骤，如何判断要“向上移动”还是“向下移动”？
⑦右管移动时，右管内液面相对于右管管壁上升还是下降了？ ⑧如果不“平视”（俯视或仰视），对实验结果有何影响？
以上问题的产生，最主要的原因在于我们的教学中，对于“量气分析法”的实验教学停留在纸面上的局部探讨，缺乏整体的理论阐述和全面真实的实验操作与体验。其次，现行高中化学教材的编写也没有专门的实验内容，很少有老师补充相应的实验研究，最多展示几套“量气装置”或者仅仅演示其中“调节左右两管中液面相平”的操作。
其次，很多化学教师本身对“量气分析法”缺乏研究，了解不深，实施教学仅仅局限于几种常见的排水量气装置和简单的操作注意事项，停留在表面机械操作，在教学过程中难以从实质上全面培养学生的定量观。我校连续多次教师应聘时的书面测试中发现，不少化学教师（有的已从教多年）都无法回答“运用量气分析法时，除了要准确测定相应气体的体积外，还必须测定实验时的室温、室压的原因”。
2 实验教学中对“量气分析法”的再认识
2.1对“量气分析法”的理论依据的再认识
一般情况下，大多数有关“量气分析法”的定量实验，都是通过测量气体排出的液体体积的大小，依据两者体积相等来确定气体的体积（一定温度、压强）；有的实验也可以通过直接测量法确定气体的体积。但不管哪种量气法，测定反应生成的气体体积后，后续的数据处理都涉及“气体体积的折算”。
“气体体积的折算”的理论依据是“理想气体状态方程pV=nRT”变形后的折算公式p0V0/T0＝p1V1/T1，即可得V标况＝p实V实T标况/(T实·p标况)。将实验条件下测得的气体体积V实（mL）、实验时的室温T实(K)＝t(℃)+273.15、室压p实(pa或mmHg)及标准状况下的T标况＝273.15K、p标况（与p实相同单位）代入上式可
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折算成标准状况下的气体体积方可进一步计算实验结果。
通常，现行中学化学课程对此内容和能力不作要求，因此中学阶段常见的有关气体体积的计算都局限于“标准状况”，涉及气体体积计算的相关习题或试题中都采用“所有气体体积均已折算到标准状况”加以补充说明，来弥补知识断层的问题。
除了少数的几个“量气”实验，直接测得的是纯净气体的体积。大多的气体体积的测定都是通过测定“装置内气体体积的增加”来测定反应生成的气体体积，其中必然涉及整套装置中原有空气的体积变化。如何扣除原有空气的体积变化所带来的影响？“回复到实验前的温度和气压”是唯一的方法。
因此，“反应结束后、读数之前要恢复到室温，调节左右液面相平”不仅仅是使反应所生成的气体的温度和气压变得方便，否则，“装置内气体体积的增加”根本不等于“反应生成的气体体积”，很大一部分是装置中原有空气的体积膨胀所导致的体积增加。 2.2 对“量气分析法”的实验装置和适用范围的再认识
诸多量气装置中，除了甲装置比较经典，而其它几种量气装置都是利用中学常用的化学仪器的灵活组装来替代。
若以下图1所示实验装置通过测量一定质量的生铁与足量的稀硫酸反应生成的氢气体积，从而计算生铁中的含碳量（或铁的质量分数），待烧瓶中反应结束以后，在“冷却到室温”的过程中，由于反应装置中气体的冷却，气体的体积会缩小，量气管内收集到的气体有一部分会回缩到烧瓶中。同理，若用乙、丙或丁装置测量氢气体积，干燥管、量筒或广口瓶内收集到的气体也会回缩，导致乙装置干燥管内液面升高而碱式滴定管内水面下降，丁装置广口瓶内液面上升而右侧量筒内的水面会下降，丙装置量筒内气体减少而水面会上升。如果用注射器代替甲装置，冷却时，注射器内气体体积也会减小。
图1 （甲） 乙 丙 丁
“调节水准管高度，使其与量气管液面相平”或“调节量筒高度高度，使其内外液面相平”的过程，真正的目的在于使装置内气压等于实验时室内的大气压。若右侧量气管液面较高，则烧瓶内气压高于室内大气压，应向下移动水准管，此时烧瓶内气压会有所减小，气体体积会膨胀，烧瓶内的一部分会流出进入量气管，量气管内液面则下降，读数增大；相反，量气管中的一部分气体会回缩到烧瓶中，量气管中收到的气体会减少。同理，若选用乙、丙或丁装置进行量气，气体体积的读数也有相应的变化。
因此，丙、丁两套量气装置量筒中的导管必须有足够的长度，确保丙装置的导管口最终高于量筒中的液面、丁装置“∩形导管”必须两端均插入广口瓶或量筒中的液面；否则，难以实现丙装置中气体的回缩，也难以保证丁装置中量筒和广口瓶中水的流出或回缩。
以上量气装置中所装的液体都是H2O，所量的气体局限于一些难溶于H2O的气体。但是，一些易溶于H2O的气体无法直接用以上装置它们来测量体积。我们也可以改变所装的液体来进行改进。
若要测量反应生成的NH3或HCl、HBr、SO2等易溶于水的气体体积，可以将量气装置中的H2O换成有机溶剂，如CCl4或苯等，测量后三种气体甚至可以换成浓硫酸。考虑到甲、乙装置为移动水准管或碱式
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滴定管时操作方便，中间以较长的橡胶管连接，而橡胶容易被有机溶剂和浓硫酸腐蚀，也考虑到利用丙装置量气操作必须将手伸入液面以下，可以选择丁装置。当然，如果选用一些不挥发、没有危害性的液体，自然是最理想的。
对于甲、乙和丁装置，在左侧量气管或干燥管、广口瓶中加水后，再加入一层比水轻（能浮于水面）的液体，如苯，也能有效防止气体溶于水。最好不使用汽油等挥发性太强的液体，因为它们易挥发产生蒸汽，对气体体积的测定影响较大。
有人认为，可以将量气装置内的液体换成饱和食盐水以测量Cl2体积，换成饱和NaHCO3溶液以测量CO2体积，换成饱和NaHSO3溶液以测量SO2体积。我们认为这些措施意义不大。因为这些溶液虽然能有效减小相应气体的溶解度，但减小的程度有限，无法防止气体溶解。对于定量实验来说，气体的溶解所带来的偏差远远超出了定量实验所允许的误差范围。 2.3 对“量气分析法”实验准确性的的再认识
定量实验的关键在于相关数据的准确测定。从实验方案的设计、仪器的选择和和组装，及整个实验操作过程的技巧性、规范性及注意事项，都是为了提高实验所测数据的准确性。对于“量气分析”实验，除了准确称量固体样品的质量、并设法使其反应完全等措施意外，更加重要的是准确测量反应生成的气体体积。那么，影响气体体积测量准确性的因素有哪些？如何提高气体体积测量的准确性呢？
我们以“测定某铜锌合金中锌的质量分数”的实验为例，进行具体阐述（装置如右图所示）。
首先，我们要考虑选择准确性较高的用来量气的定量仪器。前文所示的乙装置所选的碱式滴定管横截面积较小，比起另外几套量气装置中的量气管、量筒或注射器，读数更精确；但是，滴定管的量程很小，一般只有25mL或50mL。资料显示，一般铜锌合金中锌的质量分数在30%～40%左右。以锌和稀硫酸完全反应产生50mL氢气来计算，所取铜锌合金样品粉末的质量应该为0.3g左右（常温下，气体摩尔体积以24.5L﹒mol-1计算）。
如果以托盘天平称取这么少的样品，偏差将达30%以上。因此，固体粉末样品的称量只能选用精度较高的电子天平。
其次，增加固体样品取样量、增大所测气体体积总量也是减小实验相对误差的十分常见的有效措施，但关键在于常见的量气管和量筒的容积是有限的，无法收集和容纳太多的气体。选用量程较大的量气管或量筒（如甲、丙或丁所示）进行量气，由于它们的横截面积更大，气体体积测量的绝对误差也随之增大。
因此，我们粗略计算样品质量和反应生成气体体积得到小关系，兼顾样品称量和气体体积测量的准确性，确定取样的多少，选取合适量程和精度的仪器。
有资料显示，很多老师依据容量瓶或移液管的设计原理，开发、研究设计新型的“总容积大而有刻度处横截面积小”的量气装置，以提高量气的准确性，值得我们学习和借鉴。
四川省金堂中学的夏年利、吴桂英两位老师对容量瓶进行了改造，以代替上述丙或丁装置中的量筒，以增加气体总量，提高测量准确性。他们先用移液管和吸量管标定，并用油性笔标上相应的体积刻度，并均匀分为若干分刻度（如下图2）。
有人还设计了如下图3所示的量气实验装置，反应前利用注射器可以1次或几次定量注入足量的反应试剂（记为a mL），待反应结束、冷却到室温后，采用注射器计量抽气的方法调节储气瓶中导管内外液面相平（抽出气体体积记为b mL），解决了上述丙或丁装置上下移动量筒幅度受限的问题，同时也消除了丁
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装置中“∩形导管”内的液体体积带来的影响（如果使丁装置中“∩形导管”内预先注满液体，操作也确实十分困难）。若终右侧液体量瓶中液体体积读数为c mL，则气体发生中反应生成的气体体积为（c+b-a）mL（实验时的温室、室压下）。总的来说，这种装置操作方便，相对误差较小，准确性较高。
图2 图3
但是，以上这两种对量气装置的改造和设计依然存在很大的局限性。一方面，若气体体积较小，则不宜用此装置，因为容量瓶中的液面最终不能落到瓶颈刻度范围内，根本无法读数。另一方面，我们无法预知样品的纯度和一定质量样品反应生成的气体体积，选择合适量程的容量瓶难度较大。
第三，我们要考虑在实验过程从分液漏斗滴下的稀硫酸（或盐酸）占据圆底烧瓶体积所排出的气体体积对实验测定的影响。可采取的方案有：
方案一：定量地将一定体积的稀硫酸（足量）倒入分液漏斗，全部滴入圆底烧瓶，或者，反应结束后测量分液漏斗中残留的酸液体积，计算滴入烧瓶的酸液体积。最后从量气装置中所量得气体体积的数据中扣除因滴入酸液而排出的气体体积。
方案二：将反应装置中的分液漏斗进行改装（如图4）或换成恒压漏斗（如图5）
图4 图5
上述两套装置中，通过橡胶管a或恒压漏斗左侧导管的设计，使漏斗中的气体与反应容器（蒸馏烧瓶或双口瓶）内相同，不仅能保持上下气压平衡而有利于酸液的顺利滴加，而且有多少体积的酸液滴下，就有相同体积的气体回到漏斗中，自动消除了因加入液体和排出气体对测量反应生成的气体体积的影响，很大程度地简化了实验操作，提高实验准确性。
当然，前文提及的“反应结束后，读数前要恢复到室温，调节左右液面相平”以及量气管、碱式滴定管或量筒读数时“眼睛要平视、刻度线与凹液面水平相切”等要领肯定是提高实验准确性的重要注意事项，在此不再具体阐述。
三、对“量气分析法”的再认识对实验教学的启迪
测量气体体积仅仅是学生应该掌握的基本的定量实验技能之一。除了“量气分析法”，中学化学课程中
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还涉及沉淀称重分析、中和滴定、氧化还原滴定、热重分析、反应热测定等诸多定量实验技能，其中涉及许多定量计算。对于定量实验和定量计算有关的问题，学生所反映出来的问题是很严重的！
中学化学定量观是一种科学观念，而不是简单的知识或知识的组合。开展化学定量实验教学有助于提高学生的科学素养。尤其在培养中学生的定量意识和定量能力方面有着定性实验所不能替代的功能。作为高中化学一线教师应该提高对高中化定量实验教学的重视，展开定量实验教学研究，以丰富现行的高中化学定量实验和相关的定量实验的计算教学体系，提高定量实验教学的科学性和有效性。
化学教师应积极主动使用定量实验的方法测定有关的实验数据，而不能照搬教材。如果教师能引领学生，针对某个课题采用不同的实验方法，设计具体的实验方案和操作步骤，学生的定量实验意识和素养就有了有效的途径和保障；如果能分析对比不同实验方法的简洁性和准确性，评价有关定量实验方案、实验装置或实验操作步骤优劣，或者根据遇到的化学问题和原有的装置，设计一些新颖别致、更加科学合理的实验装置，化学定量实验的教学就能充分发挥它的功能。
我们的教材中除了反应热的测定、中和滴定、镀锌铁皮中镀层锌的厚度测定的定量实验，几乎没有“量气分析法”、沉淀沉重分析和热重分析等定量实验，这对学生来说，根本就是缺乏真实的实验研究的背景和正确规范的实验教学内容，这也对中学化学教师提出了更高的要求。我们不能将将诸多定量实验局限于纸面上的理解和实验设计或解题能力。
我们应该实验教学的目标转移到实验素养和实验方法、能力的培养上来，不要仅仅停留在知识学习的层面，不要局限于方法的记忆和答案的呈现。我们如果给学生更多多的实际操作和动手的机会，学生对定量问题的某些问题就不会停留在模凌两可或一知半解甚至是疑惑不解的水平。这应该是化学基础教育者值得思考的问题，尤其是我们中学化学教师的期望和责任！
参考文献
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对量气分析法再认识和其对实验教学启迪 - 图文
