气体摩尔体积是如何测定的

气体摩尔体积是如何测定的

------图像外延法简介

宋光杰

在理论上，气体摩尔体积V m的测定，可以通过测定标准状况下气体的密度ρ，

根据ρ=M

Vm

，求气体摩尔体积V m。

从中学课本我们知道，在标准状况，1molCO2的体积为22.4L，1molH2的体积为22.4L，1molO2的体积为22.3L，于是，我们总结出在标准状况下，1mol任何气体的体积都约为22.4L。

认真思考，不难发现其中的一些问题：

1、为什么在相同条件下等物质的量的气体的体积不尽相同？

2、为什么在标准状况下，气体摩尔体积取22.4L·mol-1这个数值？

问题的原因是：

1、由于真实气体间的差别，我们在研究气体时是以理想气体为模型的；

2、恰恰所有气体都不是理想气体。

那么，什么是理想气体呢？科学上对理想气体做出两点假设：

1、理想气体分子间距离很大很大，分子间作用力为0，

2、理想气体分子自身的体积很小很小，其理想情况为0。

可实际上任何真实气体分子间作用力和体积都不可能为0，因此真实气体在体积及压强等相对于理想气体总有一定的误差，换言之，在标准状况下，任何真实气体都不能看作理想气体。真实气体只有在足够低的压力和较高的温度的情况下，即其分子间距离很大时，分子间作用力、分子自身的体积才可以忽略，或者说真实气体只有在压强接近或等于0时，它才更接近或者说是理想气体。

根据Boyle定律：温度恒定时，一定量的气体的压力和它的体积的乘积为恒量。即：

pV=恒量（T、n恒定）

这样，标准状况下气体摩尔体积V m的测定就可以转化为pV的确定，在0℃，

p≈0时的pV值必更接近理想气体的pV值，亦即标准状况下理想气体的pV值。

新的问题是压强越小，测定的误差越大，此时我们想到了数学工具，我们可以

通过测定0℃，不同压强下的气体密度ρ，求出其pV值（下表为实测O2在0℃，

不同压强下的密度ρ及对应的pV值）。

p/atm ρ/(g·L-1) V/L pV/(

atm·L)

1.00000 1.42897 2

2.3929 22.3929

0.75000 1.07149 29.8638 22.3979

0.50000 0.71415 44.8068 44.4034

0.25000 0.35699 89.6350 22.4088

籍此数据，并以pV为纵坐标，以p为横坐标作图，可得一条直线（如下图），

将直线外延至p=0，得pV值，标准状况的压强为1标准大气压，所以标准状况下

的气体摩尔体积V m，1986年国际科学联合全理事会技术数据委员会（CODATA）

加拿大渥太华会议推荐值为22.4140L·mol-1。

利用图像外延法还可以推出热力学零度（曾叫绝对零度）的数值。

热力学零度，是理论上所能达到的最低温度，从分子运动论的观点出发，理

想气体分子的动能由温度T确定，那么也可以把热力学零度说成是“理想气体分子

停止运动时的温度”，在这个温度，理想气体体积似应等于零。以上说法只是一种理想的推理，事实上一切实际气体在温度接近热力学零度时，早已变成液态或固态。

图像外延法推测热力学零度的原理是：根据Charles-Gay lussac气体定律：压力恒定时，一定量气体的体积（V）与它的热力学温标（T）成正比。即：

V

=恒量

T

任选几种不同起始状态下的气体A、B、C，在恒压下测定其在不同温度（t）下的体积V，以V对t作图如下：

将图像外延至与横坐标交点处，此时V=0，且各种气体的v-t延长线均交于此，这个温度（t=-273.15℃）即为热力学零度。

图像外延法的用途很广，如某工厂生产了一种摄像彩色印纸，要求这种纸的性能在通常状况并有可见光的条件下能持续100年，承担化学实验的科学家不可能等到100年后再观察实验结果，此时，他们根据化学反应速率原理，采取了一些其它措施，得到了一个印纸变质的速率图像，将此图像外推至100年，得到了100年后的科学的实验结果。