臺灣化學教育

中學化學示範：
氣體三大定律的定性示範實驗

 

施麗姍、賴愉方、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要，在第五學習階段（加深加廣選修）中提到主題「物質系統（E）」之次主題「氣體（Ec）」，其學習內容有「CEc-Va-5理想氣體與真實氣體。」且其學習內容說明提到「5-1理想氣體與真實氣體之間的差異。以電腦模擬幫助學生建立理想氣體粒子模型與微觀概念。可以示範實驗說明三大定律。」本文作者利用家用物品和廢棄物使用家用工具製作零件，設計簡易的氣體三大定律定性示範實驗，以符合十二年國教自然科學領域課程綱要，提供給高中化學教師教學的參考。

n  觀賞示範影片

影片網址：氣體三大定律的定性示範實驗，https://youtu.be/qFB5dX7FlTE。

n  器材和工具

一、  波以耳定律的示範實驗

長尺（100 cm） 1支、PP板（100 cm × 60 cm） 1片、雙面泡棉膠 1捲、細塑膠軟管（外徑6 mm × 內徑4mm × 長約100 cm） 1條、長尾夾（中型） 1個、剪刀 1支、塑膠注射筒（容量3 mL和25 mL，不含注射針）各1個、標籤貼（不同顏色）若干、螺絲起子（直徑5.0 mm和6.0 mm）2支、尖嘴鉗 1支、食用色素 1盒、紅色水溶液少許、軟性寶特瓶（600 mL）1個。本實驗所需器材和工具由左而右排列，如圖一所示。

圖一：波以耳定律的示範實驗所需器材和工具

二、  查理定律的示範實驗

本實驗所需的器材和工具如波以耳定律的示範實驗，除了藍色水溶液（取代紅色水溶液）少許、1個硬性寶特瓶（取代軟性寶特瓶）之外，如圖二所示。此實驗不必使用長尾夾。

圖二：查理定律的示範實驗所需器材和工具

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

本實驗所需的器材和工具如波以耳定律的示範實驗，除了紫色水溶液（取代紅色水溶液）、1個硬性寶特瓶（取代軟性寶特瓶）之外，增加1支螺絲起子（直徑3 mm）和1條約10 cm長的細塑膠軟管（外徑0.6 cm，內徑0.4 cm），如圖三所示。此實驗不必使用長尾夾。

圖三：亞佛加厥定律的示範實驗所需器材和工具

n  事前準備—製作零件和組合裝置

一、  波以耳定律的示範實驗

1.  使用中型螺絲起子（直徑5 mm），先穿洞寶特瓶的瓶蓋，再用大型螺絲起子穿洞使孔洞更大，如圖五所示。

 

圖四：使用中型螺絲起子穿洞（左），再用大型螺絲起子穿洞（右）

2.  用剪刀，裁剪塑膠管的一端成為尖形，再穿入瓶蓋的孔洞中，如圖五所示。

 

圖五：塑膠管一端剪成尖形（左），穿入瓶蓋的孔洞（右）

3.  用尖嘴鉗，夾住塑膠管的尖端，夾緊塑膠管的尖端並使力拉出瓶蓋約2公分，然後確認瓶蓋可以蓋回寶特瓶，如圖六所示。

 

圖六：拉住尖端使之進入瓶蓋（左），確認瓶蓋可蓋回寶特瓶（右）

4.  放置一張大片的PP板以橫式在桌面上，在0、50、100公分處分別黏貼泡雙面棉膠，然後貼上直尺，如圖七所示。

  

圖七：在0公分處（左）、50公分處（中）、100公分處（右）貼上雙面泡棉膠並貼上直尺

5.  同樣地，於直尺上方0、50、100公分處再次分別黏貼雙面泡棉膠。於0公分處黏貼寶特瓶並與其瓶底切齊、於50和100公分處黏貼細塑膠管，如圖八所示。

  

圖八：於0公分處、51公分處、100公分處黏貼雙面泡棉膠

6.  用小型注射筒，吸取紅色食用色素，注射到塑膠管內（注射前要先移開瓶蓋）。為了要讓後方的學生能夠看得清楚，需要注射水柱長度2～3公分，接著使用大型注射筒注入空氣使紅色水柱移動至約50公分處（因為蓋上瓶蓋後會再移動，所以不可太接近100公分處），如圖九所示。

  

圖九：小型注射筒注入紅色水柱（左），用大型注射筒移動水柱（中），移到約50公分處（右）

7.  蓋回瓶蓋（不是轉瓶蓋而是轉瓶身），此時紅色水柱會移動到70-80公分處。然後，彎折塑膠管末端多餘的部分並用長尾夾夾緊（頂住PP板末端），如圖十所示。

  

圖十：蓋回瓶蓋（左），紅色水柱70-80公分處（中），長尾夾夾住塑膠管（右）

二、  查理定律的示範實驗

1.  製作的過程及其細節，如前面的波以耳定律的示範實驗一樣（PP板和直尺可共用）。

2.  使用硬性寶特瓶取代軟性寶特瓶，同樣地寶特瓶的瓶底黏貼於0公分處。。

3.  使用藍色食用色素取代紅色食用色素，如圖十一左所示。

4.  瓶蓋蓋回寶特瓶的瓶口（不是轉瓶蓋的方式蓋回瓶蓋而是轉瓶身，如圖十一中所示），此時藍色水柱會往右移動。塑膠管末端多餘的部分不必用長尾夾夾住，讓它自然垂放即可，如圖十一右所示。

  

圖十一：使用藍色食用色素（左），以轉瓶身方式蓋回瓶蓋（中），塑膠管末端不必用長尾夾夾住（右）

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

1.   製作的過程及其細節，如前面的波以耳定律的示範實驗一樣（PP板和直尺可共用）。。

2.  使用硬性寶特瓶取代軟性寶特瓶。

3.  此外，在硬性寶特瓶的瓶底，使用小型螺絲起子在瓶身底部穿洞，再分別使用中型和大型螺絲起子穿洞使孔洞更大，如圖十二所示。

  

圖十二：使用小型（左）、中型（中）、大型（右）螺絲起子穿孔洞

4.  使用另一條長約10公分的細塑膠管，一端用剪刀剪成尖形並強力地穿入瓶底的洞口，使細塑膠管在瓶內約1-2公分。另一端套上大型注射筒，如圖十三所示。

 

圖十三：塑膠管的一端剪成尖形（左），穿入瓶底的孔洞（右）；另一端套上大型注射筒（右）

5.  使用紫色食用色素取代紅色食用色素。

6.  彎折寶特瓶底端的塑膠管並並用長尾夾夾緊，再套上注射筒，如圖十四所示。

  

圖十四：彎折塑膠管（左），用長尾夾夾住（中），套上注射筒（右）

n  正式示範

一、  波以耳定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「波以耳定律的示範實驗裝置」到教室，以橫式直立方式放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在未擠壓寶特瓶時，在PP板上紅色水柱的右邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十五上所示。

3.  用手擠壓軟性寶特瓶的瓶身，觀察紅色水柱位置的移動，並貼上粉色標籤，如圖十五中所示。

4.  放鬆軟性寶特瓶瓶身，觀察紅色水柱位置的移動，如圖十五右所示。

圖十五：當未擠壓軟性寶特瓶時，紅色水柱固定不動（上）；當擠壓時，紅色水柱往右移動（中）；放鬆後，紅色水柱往左移動（下）

二、  查理定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「查理定律的示範實驗裝置」（PP板和直尺可共用），並以橫式直立方式放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在PP板上藍色水柱的左邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十六上所示。

3.  單手浸泡裝有溫熱水的水盆中（約10秒），快速地擦乾手上多餘的水份。用溫熱的手輕輕地握住硬性寶特瓶瓶身，觀察藍色水柱位置的移動，貼上藍色標籤貼，如圖十六中所示。

4.  用毛巾浸泡裝有冰水的水盆中，擰乾。把冰冷的毛巾輕輕地覆蓋在硬性寶特瓶的瓶身上，觀察藍色水柱的位置變化，貼上黃色標籤貼，如圖十六下所示。

圖十六：當未用手觸摸時，藍色水柱固定不動（上）；用溫熱的手覆蓋瓶身時，藍色水柱往右移動（中）；用冰冷的毛巾覆蓋時，藍色水柱往左移動（下）。

三、  亞佛加厥定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「亞佛加厥定律的示範實驗裝置」（PP板和直尺可共用）到教室，並以橫式直立放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在PP板上紫色水柱的左邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十七上所示。

3.  打開左側的長尾夾，慢慢地注入注射筒裡的空氣（約5mL）。觀察紫色水柱位置的移動，貼上粉色標籤貼，如圖十七下所示。

圖十七：當未打入空氣時，紫色水柱固定不動（上）；當打入空氣時，紫色水柱往右移動（下）。

n  氣體三大定律的定性觀察

一、  波以耳定律的示範實驗

1.  當未擠壓軟性寶特瓶時，紅色水柱固定不動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力固定不變（為P₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當擠壓軟性寶特瓶的瓶身時，紅色水柱向右移動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力變大（到P₂），使其體積變小（到V₂）。

3.  當放鬆軟性寶特瓶的瓶身時，紅色水柱向左移動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力變小（到P₃），使其體積變大（到V₃）。

二、  查理定律的示範實驗

1.  當未用手觸摸硬性寶特瓶時，藍色水柱固定不動，表示在特定壓力下，塑膠管內藍色水柱與寶特瓶之間的氣體溫度固定不變（為T₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當用溫熱的手握住硬性寶特瓶的瓶身時，藍色水柱向右移動，表示在特定壓力下，塑膠管內藍色水柱與寶特瓶之間的氣體溫度上升（到T₂），使其體積變大（到V₂）。

3.  當用當用冰冷的毛巾覆蓋在硬性寶特瓶的瓶身時，藍色水柱向左移動，表示在特定壓力下，寶特瓶與塑膠軟管內部的氣體溫度下降（到T₃），使其體積變小（到V₃）。

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

1.  當未打入空氣到硬性寶特瓶時，紫色水柱固定不動，表示在特定溫度和壓力下，塑膠管內紫色水柱與寶特瓶之間的氣體分子數（或莫耳數）固定不變（為n₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當打開長尾夾且注入注射筒裡的空氣（約5mL）後，紫色水柱向右移動，表示在特定溫度和壓力下，塑膠管內紫色水柱與寶特瓶之間的氣體分子數（或莫耳數）變大（到n₂），使其內部體積變大（到V₂）。

n  化學原理與概念

一、  波以耳定律

定性描述：當溫度恆定時，若體積增加，則壓力減少，反之亦然。

定量描述：在溫度不變的情況下，理想氣數體的體積與其所受到的壓力成反比，以數學公式表示，如式[1]所示。

    [1]

此處P₁和V₁分別為第一種狀態下氣體的壓力（atm）和體積（L），P₂和V₂分別為第二種狀態下氣體的壓力（atm）和體積（L）。

二、  查理定律

定性描述：當壓力恆定時，若溫度上升，則體積增加，反之亦然。

定量描述：在壓力不變的情況下，理想氣體的體積與其溫度成正比，以數學公式表示，如式[2]所示。

   [2]

此處T₁和V₁分別為第一種狀態下氣體的絕對溫度（K）和體積（L），T₂和V₂分別為第二種狀態下氣體的絕對溫度（K）和體積（L）。

三、  亞佛加厥定律

定性描述：當溫度和壓力恆定時，若分子的數量增加，則其體積增加，反之亦然。

定量描述一：在溫度和壓力不變的情況下，理想氣體的體積與其分子的數量成正比，以數學公式表示，如式[3]所示。

定量描述二：在同溫和同壓下，同體積的任何氣體含有相同數目的分子。

    [3]

此處V₁和n₁分別為第一種狀態下氣體的體積（L）和分子數（個），V₂和n₂分別為第二種狀態下氣體的體積（L）和分子數（個）。

n  氣體三大定律的定量實驗

本刊物《臺灣化學教育》曾經刊出氣體三大定律的定量實驗，分享給中學教師參考。這三個定量實驗的裝置，簡介如下：

一、  波以耳定律

一篇名為〈微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗〉，在第14期出版。本實驗以家用物品設計波以耳定律的微量實驗，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，如圖十八所示。提供給高中化學選修的教師示範實驗和學生實作的參考。

 

圖十八：波以耳定律的定性實驗（左）和定量實驗（右）的裝置圖

（圖片來源：波以耳定律的微量實驗，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17257。）

二、  查理定律

一篇名為〈化學教室活動：發現查理定律和絕對零度〉，在第25期出版。本實驗的設計是利用植物油來封住一支有一端封口的毛細管的另一端，形成一個密閉系統的空氣柱。藉由水浴方式加熱或冷卻這支毛細管，測量在不同溫度下在空氣柱內空氣的體積，如圖十九所示。

 

圖十九：查理定律的定量實驗裝置圖（左）和定量測量的局部放大（右）

（圖片來源：發現查理定律和絕對零度，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=28024。）

三、  亞佛加厥定律

一篇名為〈微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗〉，在第14期出版。本實驗的設計力求使用無毒的、微量的藥品，並且使用小型的器材，易於攜帶且可回收再使用，以符合微量化學的特色，如圖二十所示。

圖二十：亞佛加厥定律的定量實驗裝置圖

（圖片來源：亞佛加厥定律的微量實驗，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17138。）

n  結語

經過測試，本實驗設計的三個實驗裝置都能達到有效的定性觀察結果。波以耳定律的實驗裝置能夠因壓力的改變而使得體積有明顯的變化，教師易於操作，學生易於觀察；查理定律的實驗裝置容易在實驗過程中因轉換熱水與冰水的時間差而導致體積的變動稍大，教師在示範前多加練習操作，此實驗的變化現象學生易於觀察：亞佛加厥定律的實驗裝置能明顯地證明理想氣體的分子數目增加，體積隨之增加，教師易於操作，學生易於觀察。本實驗裝置的設計可以提供給教師教學氣體三大定律的參考。

n  參考文獻

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  Boyle’s law, https://en.wikipedia.org/wiki/Boyle%27s_law.

3.  波以耳–馬略特定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/波以耳–馬略特定律。

4.  查理定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/查理定律。

5.  亞佛加厥定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/亞佛加厥定律。

6.  理想氣體狀態方程式，https://zh.wikipedia.org/wiki/理想氣體狀態方程式。

7.  李錡峰、楊水平，微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17257。

8.  李錡峰、張鈞皓、郭峯廷、楊水平，微量化學實驗：發現查理定律和絕對零度，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=28024。

9.  李錡峰、楊水平，微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17138。