为甚么气体收集实验测得的气体体积低于预测值
化学计量可预测反应应产生多少气体，但实验室的测量值往往偏低。了解如何计算预期气体体积、修正温度、压力和水蒸气的影响，并找出实验结果出现差异的合理原因。
一名学生将 0.100 g 的镁与过量盐酸反应。根据化学计量，预测在 25°C、101.3 kPa 下以排水集气法收集的气体体积约为 104 mL，但量筒的读数只有 87 mL。究竟是反应产生的氢气不足，还是有些氢气虽然已经生成，却未能到达集气器？
单凭体积读数，无法区分这两种解释。要找出问题所在，就要追踪气体从反应本身到最后测量的整个过程，检查每个阶段可能发生的情况。
预测气体体积与实测气体体积
| 理论路径 | 限量试剂 → H₂ 的理论莫耳数。 使用指定的温度和压力预测体积；以排水集气法收集时，使用 P(H₂) = P(total) − p(H₂O)。 |
|---|---|
| 实验路径 | 反应 → 气体输送 → 收集 → 体积读数。 反应：反应不完全会使 H₂ 的生成量减少。 输送与收集：漏气、气体滞留或气体溶解都可能减少收集到的气体。 读数：实际温度、压力、水面高度及弯月面读数都会影响比较。 |
01追踪实验过程中的气体
考虑一个常见的中学实验：镁与盐酸反应，并以排水集气法收集氢气。
气体会经过以下特定路径：
- 将已测量质量的镁放入反应瓶。
- 加入盐酸。随著反应进行，氢气开始生成。
- 橡胶塞和导气管将气体从反应瓶引出。
- 导气管将气体送入倒置、充满水并置于水槽中的量筒。
- 进入量筒的氢气会排出水，而刻度便可用来读取所收集的气体体积。
这套装置的设计目的是将气体从反应容器输送至量筒，而且过程中不会损失任何气体。
如果一切运作完美，实验结果应该如何？
如果盐酸过量、镁的纯度足够、反应完全进行，而且没有气体逸出，所产生的氢气量就应该与化学计量的预测一致。将温度、压力和水蒸气的影响计算在内后，量筒读数也应该与预测体积一致。
不过，要达到这种一致性，必须有多少环节都正常运作呢？
装置出现漏气时，氢气可能会逸出。反应不完全时，实际产生的莫耳数可能少于预测值。气体也可能留在装置内，而没有到达集气器。即使实际产生并收集的气体量正确，如果气体的温度或压力与计算时假设的条件不同，最终体积仍可能与预测值不同。
第一个实验让我们发现了差异。接下来的任务，就是找出过程中的哪个环节可能解释这个差异。
02化学计量预测的是莫耳数，而不是量筒读数
先从化学反应方程式开始：
\[ \ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2} \]
这个方程式告诉我们，只要盐酸足够，而且反应完全进行，每 1 mol 的镁就会产生 1 mol 的氢气。
对于与过量酸反应的纯镁，
\[ n(\ce{H2})_{\text{理论值}}=n(\ce{Mg}) \]
镁的物质的量可以根据其质量计算：
\[ n=\frac{m}{M} \]
其中，\(n\) 是以莫耳为单位的物质的量，\(m\) 是以克为单位的质量，而 \(M\) 是以每莫耳克数表示的摩尔质量。
镁的摩尔质量为 \(M=24.3\ \text{g mol}^{-1}\)。
- Mg
- HCl
- MgCl₂
- H₂
这项计算得出氢气的理论物质的量，但还未能告诉我们氢气的体积。
气体的体积取决于气体的物质的量、温度和压力。理想气体方程式将这些量联系起来：
\[ PV=nRT \]
重新整理方程式以计算体积，可得：
\[ V=\frac{nRT}{P} \]
在这个方程式中：
- \(V\) 是以公升为单位的气体体积。
- \(n\) 是以莫耳为单位的气体物质的量。
- \(R\) 是气体常数，数值为 \(8.31\ \text{kPa L mol}^{-1}\text{K}^{-1}\)。
- \(T\) 是以克耳文（K）表示的绝对温度。
- \(P\) 是以千帕（kPa）表示的气体压力。
务必使用 \(T(\text{K})=T(°\text{C})+273\) 将温度转换为克耳文，并确保压力单位与所使用的气体常数 \(R\) 一致。
例题：预测氢气的体积
取 0.100 g 的纯镁样本，使其与过量盐酸完全反应。计算氢气的理论物质的量，以及在 25°C、101.3 kPa 下的体积。然后，假设在相同温度下以排水集气法收集氢气，而且量筒内外的水面高度相同，计算预期的气体体积。25°C 时的水蒸气压为 3.17 kPa。
步骤 1
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{m}{M}\\ &=\frac{0.100\ \text{g}}{24.3\ \text{g mol}^{-1}}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
步骤 2
反应方程式显示，镁与氢气的莫耳比为 1:1。因此，
\[ n(\ce{H2})=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \]
步骤 3
将温度转换为克耳文：
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
将数值代入理想气体方程式：
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {101.3}\\ &=0.1007\ \text{L}\\ &\approx101\ \text{mL} \end{aligned} \]
因此，干燥氢气的理论体积约为 101 mL。
步骤 4
量筒内的气体除了氢气，还包含水蒸气。当量筒内外的水面高度相同时，气体的总压力等于大气压力，但其中一部分压力来自水蒸气。
因此，氢气的分压为：
\[ \begin{aligned} P_{\ce{H2}}&=P_{\text{atm}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=101.3-3.17\\ &=98.13\ \text{kPa} \end{aligned} \]
使用这个压力计算预期的湿气体体积：
\[ \begin{aligned} V&=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {98.13}\\ &=0.1040\ \text{L}\\ &\approx104\ \text{mL} \end{aligned} \]
在这些条件下，以排水集气法收集氢气时，预期体积约为 104 mL，而不是 101 mL。
两者的差异来自水蒸气修正。在相同温度和总压力下，氢气与水蒸气的混合气体中，氢气的分压低于干燥氢气的压力。因此，要容纳相同物质的量的氢气，就需要较大的体积。
这说明了一个重要的预测原则：在相同总压力下，水蒸气会使预期的湿气体体积大于相应的干燥气体体积，而不是更小。 忽略这项修正，无法解释为甚么实测体积会低于干燥气体的预测值。
在计算氢气与水蒸气的混合气体时，这项修正假设非水蒸气部分的气体可以视为氢气。如果混合气体中存在最初的空气，在判断气体组成时，也必须考虑空气所造成的影响。
水蒸气会增加收集到的气体体积
| 干燥氢气 | P_total = P_H₂ 氢气分压等于总压力；相同物质的量占据较小的体积。 |
|---|---|
| 以排水集气法收集的氢气 | P_total = P_H₂ + p_H₂O 水蒸气会降低氢气的分压；相同物质的量占据较大的体积。 |
03根据实验装置诊断差异
假设预测体积为 104 mL，但实际只收集到 87 mL，短少了 17 mL。
我们很容易将此情况直接判定为氢气损失了 16%，然后继续下一步。然而，理论体积与实测体积之间的差异，并不能自动指出问题的原因。
先列出可能的原因，再思考每种原因会留下甚么证据。
| 可能原因 | 为甚么读数可能偏低 | 哪些证据有助判断 |
|---|---|---|
| 气体泄漏 | 氢气可能从松动的橡胶塞、不良的接驳位置或受损的导管逸出，而没有进入集气器。 | 发现密封不良，或在妥善固定所有接驳位置后重做实验，收集到更多气体。 |
| 反应不完全 | 由于反应提早停止，部分预期产生的氢气根本没有生成。 | 反应后仍有未反应的镁、酸的用量不足，或反应条件妨碍了反应完全进行。 |
| 镁不纯 | 称量的样本含有不会产生氢气的物质，因此计算高估了能参与反应的镁的量。 | 样本的纯度或状况显示，并非全部称得的质量都是金属镁。 |
| 气体在输送过程中流失 | 氢气可能在开始收集前逸出、气泡可能绕过集气器，或气体可能留在装置内。 | 实验程序中存在密封前的延误，或某个阶段可能让气体逸出而未被收集。 |
| 气体溶于水 | 部分氢气进入集气用水，而没有留在气相中。 | 与避免气体直接接触大量集气用水的方法进行受控比较后，得到不同结果。 |
| 温度或压力不一致 | 计算使用了不正确的条件，因此实际气体体积与预测值不同。 | 实测温度、压力或水面高度与假设值不同。 |
| 读数误差 | 气体体积读取不准确，或刻度太粗，无法分辨细微差异。 | 重复读数互不一致，或读取弯月面时没有采用一致的方法。 |
这些原因对实验的影响并不相同。有些会减少收集到的氢气量，另一些则会使理论值与实测值之间的比较失去准确性。
气体泄漏与反应不完全是两个不同的问题
气体泄漏表示氢气可能已经生成，但在测量之前便已逸出。
反应不完全则表示部分预期的氢气从一开始就没有生成。
这个区别很重要，因为两者需要不同的证据，也需要不同的解决方法。
如果反应结束时仍有镁残留，就应调查盐酸是否为限量试剂，或反应是否尚未完成。应计算两种反应物的可用量，而不是直接假设盐酸过量。
如果看不见任何残留的镁，这支持反应已经完全进行的推断，但不能证明原先称量的每一克样本都是纯镁。不纯的样本即使完全消失，也未必会产生根据其总质量所预测的氢气量。
如果反应开始前装置尚未密封，氢气便可能立即逸出。镁一接触盐酸就会开始反应，因此即使只是短暂延误，也可能造成影响。较好的设计是按照实验室认可的方法，先正确接驳并封闭集气系统，再开始反应。
氢气具有易燃性。切勿使用火焰检查是否漏气。
氢气会溶于水吗？
会，有些氢气可以溶于集气用水。气体收集并不一定能完全将气体与液体分开。
然而，氢气在水中的溶解度很低。虽然溶解确实可能发生，但不应在一般的中学实验中，未经判断便将大量差异归咎于溶解作用。
气体的种类很重要。在相近条件下，氨和二氧化碳等气体的溶解作用，比氢气显著得多。
气体注射器可以帮助我们调查直接接触大量集气用水是否造成差异。不过，将量筒改为气体注射器，也可能改变气体的输送路径、死体积及其他实验细节。使用注射器后读数较高，支持进一步调查，但单凭这一点，并不能证明溶解作用是唯一原因。
气体体积会否只是因为条件不同而改变？
会。因此，必须测量或以其他方式确定气体的温度和压力，而不能直接假设它们符合预期。
根据理想气体方程式，
\[ V=\frac{nRT}{P} \]
对于固定物质的量的气体，体积会随绝对温度上升而增加，并随压力增加而减少。
如果气体的温度低于预测时所使用的温度，实测体积便会较小。如果气体的压力高于假设值，其体积也会较小。
- 100 kPa 下的干燥气体
集气量筒内外的水面高度也很重要。当量筒内外的水面高度相同时，量筒内的气体压力约等于大气压力。如果两边的水面高度不同，封闭气体的压力便会与大气压力不同。
例如，如果倒置量筒内的水面低于外面的水面，量筒内的气体压力就会高于大气压力。对于固定物质的量的气体，如果只使用大气压力计算，就会高估预期体积。
最后，应让气体达到预定测量时的温度。如果气体仍比周围环境温暖时便读取体积，所得结果可能与气体冷却后的读数不同。
04水蒸气及其他因素可能使结果朝相反方向偏移
良好的诊断不只会考虑哪些因素可能使读数偏低，也会考虑哪些因素可能使读数偏高。
| 影响因素 | 可能造成的影响方向 |
|---|---|
| 氢气经由漏气处逸出 | 收集到的体积较小 |
| 反应在完成前停止 | 产生的气体较少 |
| 氢气溶于集气用水 | 收集到的气相气体量较少 |
| 气体比假设的温度低 | 体积较小 |
| 气体压力比假设值高 | 体积较小 |
| 理论计算忽略水蒸气 | 预测的湿气体体积过小 |
| 气体比假设的温度高 | 体积较大 |
| 未计算在内的气体被排入集气器 | 视乎装置而定，可能使读数或其解读出现偏差 |
最后一点需要小心处理。许多反应容器和导气管内一开始都存在空气。因此，最初进入集气器的气体可能含有空气，而不是纯氢气。
在排水集气装置中，最初存在的空气不会自动造成额外的体积误差：在适当的恒温、恒压条件下，被排出的气体体积仍然可以反映所生成的气体量。然而，在解读气体组成时，不能直接将收集到的混合气体视为化学上纯净的氢气。如果实验程序刻意排掉最初收集的气体，也可能同时损失部分氢气。
这正好说明，为甚么解读实验结果时，应根据实际装置进行判断，而不是只依赖一份通用的可能误差清单。
05例题：根据读数估算所代表的氢气量
一名学生将 0.100 g 的纯镁与过量盐酸反应，并在 24°C、大气压力为 100.8 kPa 的条件下以排水集气法收集气体。量筒内外的水面高度相同，水蒸气压为 2.98 kPa。
实测气体体积为 94.0 mL。假设实验装置已将最初存在的空气和死体积的影响纳入考量，估算这次测量所代表的氢气理论量比例。
步骤 1
假设气体由氢气和水蒸气组成，
\[ \begin{aligned} P_{\ce{H2}}&=P_{\text{atm}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=100.8-2.98\\ &=97.82\ \text{kPa} \end{aligned} \]
步骤 2
将体积转换为公升：
\[ V=94.0\ \text{mL}=0.0940\ \text{L} \]
以克耳文表示的温度为：
\[ T=24+273=297\ \text{K} \]
重新整理理想气体方程式以计算物质的量：
\[ n=\frac{PV}{RT} \]
代入实测数值：
\[ \begin{aligned} n_{\text{收集}}&=\frac{(97.82)(0.0940)}{(8.31)(297)}\\ &=3.73\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
步骤 3
每莫耳镁应该产生一莫耳氢气。
\[ \begin{aligned} n_{\text{理论值}}&=\frac{0.100}{24.3}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
步骤 4
\[ \begin{aligned} \text{表观收集比例} &=\frac{n_{\text{收集}}}{n_{\text{理论值}}} \times100\%\\ &=\frac{3.73\times10^{-3}}{4.12\times10^{-3}} \times100\%\\ &\approx90.5\% \end{aligned} \]
在上述假设下，读数相当于理论氢气量的约 90.5%。
在这些条件下，相应的理论湿气体体积约为 104 mL，而实测值为 94.0 mL。
这个数值是表观收集比例，并不能证明化学反应的产率为 90.5%。差异可能来自气体流失、反应不完全、对样本的假设有误，或测量方面的问题。
这个区别很重要：反应实际产生的气体量，与成功收集到的气体量，不一定相同。
06如何改进实验，而不是凭猜测下结论
好的实验者不会看到读数偏低，就立即选择自己偏好的解释。相反，他们会改进实验设计，以便检验不同的可能原因。
诊断气体体积读数偏低
- 计算限量试剂
利用莫耳比计算 H₂ 的理论量。
- 检查反应是否完全及样本纯度
检查是否有未反应的 Mg，并确认样本纯度。
- 检查气体输送过程
检查密封位置、导管、滞留气体及启动时的气体损失。
- 修正测量条件
考虑温度、气体压力、水面高度及水蒸气的影响。
- 重复实验或比较集气方法
每次只改变一项因素；重复试验以验证怀疑的原因。
请按照以下次序进行。
首先，检查理论计算。
计算每种反应物的物质的量，并找出限量试剂。镁与盐酸反应时，每 1 mol 镁需要 2 mol HCl。如果盐酸是限量试剂，氢气的理论物质的量就必须根据盐酸计算，而不能只根据镁的质量计算。
同时，检查对镁纯度的假设，以及反应是否有合理的条件可以完全进行。
其次，检查气体是否可能逸出。
检查橡胶塞、导管和所有接驳位置。确认集气系统在反应开始前已准备妥当，并检查气体是否可能在组装或输送过程中逸出。
如果改进后的装置收集到更多气体，这支持原先装置曾经造成气体流失的推断，但不会自动量化每个阶段的气体损失量。
第三，修正测量条件。
记录气体温度、大气压力和水面高度。如果以排水集气法收集气体，必须考虑水蒸气的影响。如果量筒内外的水面高度不同，就必须考虑气体压力的差异，而不能假设气体压力等于大气压力。
使用实际适用于测量的条件，而不是教科书例题中方便使用的数值。
第四，谨慎比较不同的集气方法。
气体注射器可以帮助调查与水中集气有关的气体损失。不过，应尽可能保持反应条件及程序中的其他部分一致。
如果同时改变密封方式、反应条件和集气方法，就无法判断究竟是哪项改变造成改善。
最后，重复实验并考虑测量不确定度。
如果差异很小，可能与量筒的精确度或不同试次之间的变化一致。若持续出现较大的差异，就值得进一步调查。
重要的问题不只是实测体积是否与预测值不同，而是两者的差异是否大于该方法预期的不确定度，以及现有证据能否指出合理的原因。
07问题与解答
问题 1
取 0.0486 g 的纯镁样本，与过量盐酸完全反应。在 25°C、大气压力为 100.0 kPa 的条件下，以排水集气法收集氢气。量筒内外的水面高度相同，水蒸气压为 3.17 kPa。
计算所收集湿气体的理论体积。使用 \(M(\ce{Mg})=24.3\ \text{g mol}^{-1}\) 及 \(R=8.31\ \text{kPa L mol}^{-1}\text{K}^{-1}\)。
解答 1
理论湿气体体积约为 51.2 mL。
首先，计算镁的物质的量：
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.0486}{24.3}\\ &=0.00200\ \text{mol} \end{aligned} \]
反应中镁与氢气的莫耳比为 1:1。因此，
\[ n(\ce{H2})=0.00200\ \text{mol} \]
由于气体是以排水集气法收集，氢气的分压为：
\[ P_{\ce{H2}}=100.0-3.17=96.83\ \text{kPa} \]
温度为：
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
使用理想气体方程式：
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\ce{H2}}}\\ &=\frac{(0.00200)(8.31)(298)}{96.83}\\ &=0.0512\ \text{L}\\ &=51.2\ \text{mL} \end{aligned} \]
预期体积约为 51.2 mL。如果直接使用大气压力作为氢气的分压，就会低估预期的湿气体体积，因为总压力的一部分来自水蒸气。
问题 2
一名学生将 0.120 g 的镁与 10.0 mL、浓度为 0.200 mol L⁻¹ 的盐酸反应。假设镁是纯的，反应会在现有酸所允许的范围内尽可能进行，并在 25°C、大气压力为 100.0 kPa 的条件下以排水集气法收集氢气。水蒸气压为 3.17 kPa，量筒内外的水面高度相同。
计算湿气体的最大理论体积，并解释为甚么只根据镁的量计算氢气的物质的量，会得出错误的预测。
解答 2
湿气体的最大理论体积为 25.6 mL，因为盐酸是限量试剂。
首先，计算镁的物质的量：
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.120}{24.3}\\ &=4.94\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
接著，计算盐酸的物质的量：
\[ \begin{aligned} n(\ce{HCl})&=cV\\ &=(0.200\ \text{mol L}^{-1})(0.0100\ \text{L})\\ &=2.00\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
反应方程式显示，每产生 1 mol 氢气需要 2 mol HCl。因此，氢气的最大物质的量为：
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2})_{\max} &=\frac{n(\ce{HCl})}{2}\\ &=\frac{2.00\times10^{-3}}{2}\\ &=1.00\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
氢气的分压为：
\[ P_{\ce{H2}}=100.0-3.17=96.83\ \text{kPa} \]
在 298 K 下，
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\ce{H2}}}\\ &=\frac{(1.00\times10^{-3})(8.31)(298)}{96.83}\\ &=0.0256\ \text{L}\\ &=25.6\ \text{mL} \end{aligned} \]
如果只根据镁的量计算，预测的湿气体体积约为 126 mL。这个预测假设有足够的酸与全部镁反应，但本例并非如此。
收集到的气体体积较小，不一定表示装置漏气或实验失败。在调查气体收集过程中的损失之前，必须先检查限量试剂。
问题 3
三次重复实验使用相同质量的镁、过量盐酸及相同的集气条件。湿气体的理论体积为 104 mL。
- 在第一种程序中，盐酸先与镁接触，之后才将反应瓶密封。平均收集体积为 86 mL。
- 在改良后的程序中，先封闭整个系统，再让盐酸与镁接触。平均收集体积为 101 mL。
两种程序结束时，都看不到残留的镁。其他预定条件均保持不变。
这些结果最有力地支持甚么结论？单凭这些结果，又有哪些结论无法得出？
解答 3
这些结果有力地支持以下结论：在系统密封之前开始反应，会在启动阶段造成大量气体流失。 然而，这并不能证明每一毫升的气体损失都来自同一个原因。
改良程序使平均收集体积增加了：
\[ 101-86=15\ \text{mL} \]
两种程序之间主要的预定差异，是集气系统是否在反应开始前已经密封。酸一接触镁便可能产生氢气，因此原先的程序让部分气体有机会在集气准备就绪之前逸出。
读数从 86 mL 增加至 101 mL，与这个解释一致。
然而，改良程序的读数仍比理论预测低 3 mL：
\[ 104-101=3\ \text{mL} \]
单凭这些结果，无法将剩余差异归因于溶解作用、气体泄漏或测量不确定度。要区分这些可能性，还需要进一步检查。
这个例子说明，应透过受控的改变找出可能的原因，再单独调查剩余的差异。
问题 4
某个反应应该产生 0.00400 mol 的气体。在 20°C、大气压力为 100.0 kPa 的条件下，以排水集气法收集气体。量筒内外的水面高度相同，水蒸气压为 2.34 kPa。
一名学生直接使用大气压力，预测体积为 97.4 mL，然后测得 96.0 mL。学生声称，水蒸气可以解释这个差异。
计算正确的湿气体理论体积，并评估这名学生的说法。
解答 4
正确的湿气体理论体积约为 99.7 mL，因此水蒸气并不能解释读数偏低的现象。忽略水蒸气反而会使预测体积偏小。
温度为：
\[ T=20+273=293\ \text{K} \]
非水蒸气部分的气体压力为：
\[ P_{\text{干燥气体}}=100.0-2.34=97.66\ \text{kPa} \]
使用理想气体方程式：
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\text{干燥气体}}}\\ &=\frac{(0.00400)(8.31)(293)}{97.66}\\ &=0.0997\ \text{L}\\ &=99.7\ \text{mL} \end{aligned} \]
使用 100.0 kPa 计算的干燥气体预测体积约为 97.4 mL。扣除水蒸气压后，计算所使用的压力降低，预测体积便增加至 99.7 mL。
因此，实测体积比正确预测值低了约：
\[ 99.7-96.0=3.7\ \text{mL} \]
相当于约 3.7% 的差异。
这名学生的推理方向恰好相反。水蒸气占据了总压力的一部分；修正水蒸气的影响，会增加所收集气体的预期体积。
问题 5
一名学生将 0.100 g 的纯镁与过量盐酸完全反应。在 25°C、大气压力为 101.3 kPa 的条件下，以排水集气法收集氢气。水蒸气压为 3.17 kPa。
倒置量筒内的水面比外面的水面低 20 cm。已知这个高度差所造成的压力差为 2.0 kPa，因此量筒内被困住的气体压力比大气压力高 2.0 kPa。
学生测得的湿气体体积为 96.0 mL。
另一名学生声称，水面高度不同，必然表示理论计算有误。第三名学生则认为，既然气体压力已高于大气压力，就应该忽略水蒸气。
计算修正后的湿气体理论体积。然后，在假设气体只由氢气和水蒸气组成的情况下，解释实测体积能证明甚么，以及不能证明甚么。
解答 5
修正后的湿气体理论体积约为 101.8 mL。实测体积 96.0 mL 仍比预测值低约 5.8 mL，因此修正压力和水蒸气的影响，并不能完全消除这个差异。
关键在于，这两项修正的作用方向相反。
步骤 1：计算氢气的理论物质的量。
\[ \begin{aligned} n(\ce{Mg})&=\frac{0.100}{24.3}\\ &=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \end{aligned} \]
镁与氢气的莫耳比为 1:1，因此：
\[ n(\ce{H2})=4.12\times10^{-3}\ \text{mol} \]
步骤 2：修正水面高度差所造成的总气体压力变化。
由于量筒内的水面低于外面的水面，被困住的气体压力高于大气压力。
\[ \begin{aligned} P_{\text{气体}}&=P_{\text{atm}}+2.0\\ &=101.3+2.0\\ &=103.3\ \text{kPa} \end{aligned} \]
步骤 3：修正水蒸气的影响。
气体含有水蒸气，因此非水蒸气部分的气体压力为：
\[ \begin{aligned} P_{\text{干燥气体}} &=P_{\text{气体}}-p_{\ce{H2O}}\\ &=103.3-3.17\\ &=100.13\ \text{kPa} \end{aligned} \]
较高的总压力会降低预期体积。接著扣除水蒸气压，则会使预期体积相对于错误地将全部压力视为干燥气体压力的计算结果增加。
两项修正都不能忽略。
步骤 4：计算修正后的理论体积。
在 25°C 下，
\[ T=25+273=298\ \text{K} \]
因此，
\[ \begin{aligned} V&=\frac{nRT}{P_{\text{干燥气体}}}\\ &=\frac{(4.12\times10^{-3})(8.31)(298)} {100.13}\\ &=0.1018\ \text{L}\\ &=101.8\ \text{mL} \end{aligned} \]
步骤 5：比较修正后的预测值与实测体积。
\[ \begin{aligned} \text{体积差额}&=101.8-96.0\\ &=5.8\ \text{mL} \end{aligned} \]
以修正后的理论体积为基准，差额百分比为：
\[ \begin{aligned} \text{差额百分比} &=\frac{5.8}{101.8}\times100\%\\ &\approx5.7\% \end{aligned} \]
修正后的预测值仍比实测体积高约 5.7%。
结果显示，水面高度不一致及水蒸气的影响，可以解释原先预测值与实际读数之间的部分差异，但无法解释全部差异。在已知镁完全反应，而且气体只由氢气和水蒸气组成的假设下，剩余差异可能指向气体收集、输送或测量方面的影响，也可能表示某项尚未纳入考量的假设并不成立。
这并不能证明有 5.7% 的氢气溶于水，也不能单凭这个结果确定装置存在漏气。要支持这些解释，还需要进一步证据。
这就是进行气体收集实验时，接下来应作出的决定：确定限量试剂、气体条件和压力修正后，再透过重复试验及受控的改变，调查剩余的体积差额。只有完成这些步骤，才能有理有据地判断气体收集效率，以及计算所得的产率究竟反映了化学反应本身，还是实验方法的限制。