酒精和水混合实验分析

发表时间:2018/4/26   来源:《中国教师》2018年4月刊   作者:白佳钰
[导读] 作为一个定量的实验,教师当然应该对实验结果有一个严谨地预判,以确定实验是否达到了最佳的效果,实验是否还有需要改进的地方。

白佳钰    陕西省宝鸡一中七(19)班    721000
中图分类号:G623.8   文献标识码:A   文章编号:ISSN1672-2051(2018)04-119-02

        为说明分子间有间隔,初中化学教材中特意安排了一个,将水与酒精等体积混合,以观察混合后溶液体积要减小的演示实验。由于这是一个至少在半个多世纪前就有的“经典实验”,人们对这个现象的解释从来也没有进行过质疑。而事实上教材中的解释未必就有代表性与科学性。
        一、乙醇与水等体积混合后体积的计算及原因分析
        作为一个定量的实验,教师当然应该对实验结果有一个严谨地预判,以确定实验是否达到了最佳的效果,实验是否还有需要改进的地方。
        而所谓“预判”就是先进行一下理论计算。
        这个计算并没有什么难度:
        查得20℃时乙醇的密度为0.78945g/cm3。这样50.00ml纯乙醇的质量为0.78945×50.00=39.47g(为避免不必要的计算误差,均尽可能地多取了几位有效数字)。
        查得20℃时水的密度为0.998203g/cm3。这样50.00ml纯水的质量为0.998203×50.00=49.91g。
混合后得到乙醇的质量为89.38 g。乙醇的百分比浓度为39.47 /89.38=44.16%。
查得乙醇百分比浓度为44.9%时密度为0.925,浓度为42.6%时密度为0.930。用插值法可求得,44.16%乙醇的密度为0.9266。
        则该乙醇溶液的理论体积为89.38 / 0.9266=96.5(ml)。与设想的100.0 ml有3.5ml的差别。
        再考虑到由于量筒中的液体有可能倾倒的十分干净,实际上混合后溶液的体积可能连96.5ml也难于达到。
        一般实验仅达到的98ml左右,可能是由于两种液体还未混合均匀而造成的,并不是最佳的实验结果。
        教材试图通过这个实验传递出这样的一些信息:分子是一个个的能够独立运动的有一定形状的微观刚性体,它们彼此间有空隙,不同种类分子的大小是不同的。因为,只有满足这些条件,才能产生“将两种不同液体混合时体积会变小”这样的现象。
可以说,这并不是严格意义上的科学的证明。而是先建立起一个物理模型,然后用一个实验现象来说明这个模型的合理性。
        应该承认,能将微观的现象宏观化,使接受水平和能力都很有限的初中学生能领悟出“分子”的真实存在及一些性质,已经就是很不错的了。
        但作为教师还是应该清楚地知道,这个所谓的解释,不仅不严谨;并且它只是从一个方面描述了物质溶解于水的过程,可能还远未触及水溶液的本质。
        二、几个“特殊”的溶解现象
        在这里之所以在溶解现象前面加上了一个“特殊”这样的定语,是指用上面的“分子间有空隙”这样的模型,是无法解释这些溶解现象的。
        如,在体积为V1的溶剂A与溶质B构成的混合溶液中,再加入体积为V2溶剂A,混合后溶液的总体积竟能大于两者之和的“V1+ V2”。这用“空隙模型”能解释吗?
        又如,在体积为V的溶剂A中,溶解一定量的溶质B,结果得到溶液的体积竟还小于原溶剂的V。这部分溶剂“消失”掉了?这用“空隙模型”恐怕也无法解释吧?
        但这样的溶解现象的事实是有的。可能还会大量地存在,因为只是随手计算了一本化学手册中仅有的不多几个体系,就遇到了好几个这样的例子。现将这几个例子陈述如下:
        例1,氨水的稀释。
        已知氨的化学式量为17.0306,取1000 ml 34.35%氨水,用1000 ml 水来稀释。求所得溶液的密度与体积。
        查得,一些氨水的浓度和密度(20℃)如下表:
        密度(g·ml-1) w(%) c(mol·L-1)
        0.880 34.35 17.75
        0.934 16.65 9.13
        0.936 16.06 8.83
        0.936 16.079 8.84
        解:由表中第一行的数据有:混合后稀氨水的质量百分比浓度为16.079%氨水的体积,在表中无法直接查到。由第二、三行数据,用插值法可求出,其密度为0.936、物质的量浓度为8.84(如第四行红色数据所示)。这样,稀氨水的体积为1880÷0.936=2008.5(ml)。
        这个结果是我们没有想到的。“1000 ml 34.35%氨水,与1000 ml 水混合”,结果竟然会多出8.5 ml。
        例2,NaOH溶液的配制。
        已知固体NaOH的密度为2.130(g•cm-3)。
        20℃时,质量百分比浓度为7.38%(物质的量浓度为1.992mol•L-1)的NaOH溶液,其密度为1.080 (g•ml-1)。



        求,配制一升这样的溶液需要多少克固体NaOH,及水的体积。
        解:一升这样的溶液含有固体NaOH=1000×1.080×7.38%=79.7(g),及1080-79.7=1000.3(g)水。
折合成体积为:79.7/2.130=37.4 (cm-3) 固体NaOH,与1000.3/0.9982=1002.1 ml水(用的是20℃时的水,其密度为0.99802)。
        用1002.1 ml的水,加了那么多NaOH后,反而只配制出了1000.0ml的溶液。似乎有2.1ml水消失掉了。
这个现象在明白地告诉我们,水分子所占的体积在这个溶解过程中本身就发生了变化,并没有表现出“刚性”的性质。
        例3,为防止是个别的原始数据有误,再计算该表中的一个NaOH溶液体系。
20℃时,配制一升质量百分比浓度为2.84%(物质的量浓度为0.731mol•L-1)的NaOH溶液,其密度为1.030(g•ml-1)。
        解:配制一升这样的溶液需要29.25 g固体NaOH,与1000.8g水。折合成体积为13.7(cm-3) 固体NaOH,与1002.6 ml水(要考虑20℃时水的密度)。溶液比溶剂还是少了2.6 ml。
可见,这是一个可信的计算结果。
例4,配制一升Na2CO3溶液。
        已知20℃时,质量百分比浓度为2.10%的Na2CO3溶液(物质的量浓度为0.2021mol•L-1),其密度为1.020(g•ml-1)。
        解:配制一升这样的溶液需要固体Na2CO3的量1000×1.020×0.0210=21.4 g。需要的水为1020-21.4=998.6g,相当于1000.4 ml的水。
        也有溶液比原溶剂体积少0.4 ml的现象。
        这种固体电解质溶于水时,不但溶质完全消失了(像CO32-离子的体积无论如何也不会比水分子小),连带着溶剂体积也要缩小,这可能是一种较为普遍的溶解现象(只计算了几种电解质,几乎都是这样)。
这说明,“空隙模型”并不是一个有代表性的模型。既然没有代表性,也就无法反映溶解过程的本质。
        三、溶质在水中溶解过程的分析
        当溶质分散到水中时,能使水的体积大幅度变化的原因,恐怕还要从水分子间有氢键,这个最为重要的角度来寻找。
        因为,水是所有化学物质中氢键最强的物种。每个水分子都可以用4个氢键与另外的4个水分子结合,最多时每个水分子平均会有两个氢键。
        因为,由于氢键有方向性,当其方向性达到极致时,体积会大幅度地增加。由0℃时水的密度为0.99984(g•ml-1),而0℃冰的密度为0.917(g•ml-1),就可以知道,仅部分地破坏冰中的氢键使其变为可以自由移动的水,水分子所占的体积就要缩小8.3%。
        而水中的氢键还有被继续破坏的可能。因为,在液态水中还保留有相当数量的氢键。正是为了破坏这些氢键,水才会有特殊大的比热,有出奇大的汽化热.。
        可以预期,当在水中加入的溶质,如果能使水中的氢键数减少,那么水的表观密度就会变大,从而导致水所占的体积会变小。
        从溶质破坏溶剂水中氢键数的能力,来判断溶液体积的变化。应该对水溶液性质有更为准确地反映。可以将这个用氢键数来解释溶液体积的结论称为“氢键说”。
        对例2、3的NaOH溶液配制、例4的Na2CO3溶液配制,溶液体积均小于溶剂体积的现象,结合电离理论,可以圆满地统一用氢键说解释为:
        由于电解质在水中溶解,实际就是一个溶质在水分子作用下电离,并生成水合离子的过程。在这个过程中,有相当一部分构成水合离子的水分子会部分失去形成氢键的能力。从而使溶液的体积变小,变得甚或比原溶剂的体积还小。
        而例1的“1000 ml 34.35%氨水,用1000 ml 水来稀释后,体积为2008.5ml”(溶液的体积反而多出来了一些)的现象。则是由于在溶质量不变的情况下(与其有水合作用的水分子数不变),增加溶剂的效果就相当于降低了参与水合的水分子的百分含量,即对氢键形成有贡献的水分子的百分含量要增加。所以体积要变大。
        用氢键说来解释溶液体积的变化时,最好按如下的步骤:
        先计算出两体系体积简单加合后的总体积;
        判断是否有氢键数目、及氢键百分数的变化;
        氢键百分数降低,溶液的体积就会减少。
        四、教材对酒精与水等体积混合实验的处理
        按氢键说,乙醇与水等体积混合后体系体积的些许减少,是由于乙醇分子有一个相当大的、并且是不与水分子作用的有机集团,只有其羟基部分能与水分子作用,对少数水分子的部分氢键形成有影响。所以体系体积要降低,但较低的并不明显。
        而教材中的“分子间隙说”应该被看成只是一个更容易被学生“理解”的“比喻”。从科学性方面来看,是有问题的。这种有关溶液的“分子间隙”理论,“忽略”了溶剂分子间及溶剂分子与溶质微粒间的作用,对人们理解水溶液的性质有麻痹和阻碍作用。
        几十年前,那是一个没有任何可能让学生看到分子真实样子的时代,教师只好用这个实验来“说服”学生,以期初步建立起分子的概念。
        但现在不同了。各种各样的真实分子照片都可以找到。一小段视频比这个实验所包含的信息都要多得多。在教学中还有保留这个实验的必要吗?
        ——辅导教师:侯小红  陕西省岐山县第二初级中学

投稿 打印文章 转寄朋友 留言编辑 收藏文章

  期刊推荐
1/1
转寄给朋友
朋友的昵称:
朋友的邮件地址:
您的昵称:
您的邮件地址:
邮件主题:
推荐理由:

写信给编辑
标题:
内容:
您的昵称:
您的邮件地址: