給呂薩克氣體化合體積定律

原始設計者:張雲鳳、胡景瀚

藉著閱讀部分給呂薩克的實驗數據與描述，了解氣體化合體積比的關係、氨氣與不同酸中和使用的體積相同原因、氣體化合後的體積與反應體積之間的比較，藉由現今的分子概念釐清當時給呂薩克無法理解的體積化合關係。

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現象說明

給呂薩克透過實驗， 藉由氣體的相對重量比，除以氣體本身密度，得到體積，發現氣體結合時，體積都以簡單整數比進行。 而氨氣可以中和相同體積的酸是一件重要的發現，給呂薩克推測在所有的酸和鹼的氣體的中和過程中都會有相同的現象，也就是相同體積的酸和鹼的中和能力是相同的。並透過體積比，可以用來計算反應物與產物之間的密度關係。

探究問題

• 2.1 氣體化合體積是否為簡單整數比?
• 2.2 化合體積與反應體積的比較

實作項目

• 3.1 試著閱讀以下文字:

“給呂薩克發現氧和氫以100:200的體積比反應，生成200體積的水，並且懷疑所有氣體化合時總是以簡單的體積比例進行。戴維曾分析氮的氧化物中氮和氧的重量百分比。”

下表中為給呂薩克當時計算出的實驗數據

能不能利用元素週期表上的現在的原子量來計算正確的重量百分比應為如何呢?(四捨五入到小數點後兩位)

參考答案:

(1) 63.65 (2) 46.68 (3) 30.45 (4) 36.35 (5) 53.32 (6) 69.55

給呂薩克將氮和氧的重量百分比除以氮和氧的相對密度，再相對於氮(100)得到下表，氧的相對數目就是三種化合物中氧的體積比。下表中氧的體積比其實是50: 100: 200，相對於氮的體積比100。因此他指出氣體結合時總是以最簡單的體積比進行。

• 3.2 根據給呂薩克的實驗數據:

“氯化銨中鹽酸相對於氨的重量比為160.7:100 (正確值 214.0:100)，碳酸氫銨中二氧化碳相對於氨的重量比為254.6:100 (正確值258.4:100)。”

在這兩個實驗中，鹽酸和二氧化碳都和相同體積的氨中和。為什麼不同的酸用相同體積的氨氣就能達到中和效果呢?

如果鹽酸與二氧化碳重量相同，試著想想看那兩者之間還有哪個條件不同，而影響其中和能力呢?

參考答案:

給呂薩克推論「(相同重量的)鹽酸和二氧化碳的中和能力與它們的密度成反比」，以解釋為甚麼不同的酸和氨中和時都消耗了一樣的體積。

• 3.3 試著閱讀以下文字:

“除了氣體結合時參與氣體的體積成簡單倍數比，給呂薩克更指出，氣體結合後如果體積縮減，縮減的體積也和某一反應物的體積成簡單倍數比。例如，100體積的一氧化碳和50體積的氧生成100體積的二氧化碳。利用這些比例以及氧和二氧化碳的密度，給呂薩克推測出的一氧化碳密度(一氧化碳的密度等於二氧化碳的密度減掉0.5倍的氧的密度)非常接近實驗值，體積縮減的另一個證據，是給呂薩克發現1倍體積的氮和3倍體積的氫化合成2倍體積的氨，反應過程中反應物的體積減半。將1倍氮的密度加上3倍氫的密度再除以2，得到的氨的密度也和實驗值非常接近。”

已知氧和二氧化碳的密度分別為1.1036和1.5196(相對於空氣的密度)，算出答案並與實驗值(0.9569)比較

參考答案:

1.5196-1.1036/2 = 0.9678

分析與結論

• 4.1給呂薩克對於氣體化合時反應物的體積減少了和某反應物相同或為簡單倍數的發現，似乎難以解釋。他舉了一氧化氮生成的例子，由氮和氧反應生成一氧化氮後體積不變，由100體積的一氧化二氮和50體積的氧反應生成200體積的一氧化氮，體積增加。他又指出，碳(固體)和氧反應生成和氧等體積的二氧化碳。我們用現代的化學方程式將上述反應寫出來:

因為當時所認知的分子與現今不同，道耳頓的原子說認為原子以一對一或簡單數目組合成分子，而另一位科學家Berthollet則認為分子內元素的組合比例是連續的。因為原子重新組合形成不同的化合物，而造成結合後的體積相對於原先反應物體積可能增加、減少或不變，原子不滅才能成功解釋體積會隨之改變。

• 4.2想想看酸性物質與鹼性物質反應時，在什麼條件下，所產生的物質為中性、酸性、或鹼性?

教學目標與評量

• 5.1 能了解給呂薩克氣體化合體積定律。
• 5.2 透過氣體體積之間的關係去推論物質密度與中和能力。。
• 5.3 釐清氣體化合時，體積增加、不變、或減少的原因。

參考資料

• 6.1 參考文獻

[1] 給呂薩克: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%A6%E7%91%9F%E5%A4%AB%C2%B7%E8%B7%AF%E6%98%93%C2%B7%E7%9B%96-%E5%90%95%E8%90%A8%E5%85%8B