关于凝固点降低实验的几点疑惑和探究

2011-04-21何建俊

化学教与学 2011年10期

关键词：凝固点食盐水瓷片

何建俊

（江苏省金坛市洮西中学江苏金坛213200）

关于凝固点降低实验的几点疑惑和探究

何建俊

（江苏省金坛市洮西中学江苏金坛213200）

学生低效的学习情况与他们不会对有关化学信息进行选择性注意、化学学习中没有养成良好的注意习惯有关。化学教师在教学中帮助学生选择性注意，养成良好的学习习惯，将有助于提高学生学习化学的有效性。

选择性注意；研究

凝固点降低是指在一定压力下固态溶剂与溶液两相平衡的温度低于纯溶剂固、液两相平衡的温度。根据拉乌尔定律[1],在一定温度下,溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂的摩尔分数之积,即P=PB0xxB。固体溶于水后,导致溶液中纯溶剂的蒸气压降低,进而使溶液的凝固点降低。

一、关于凝固点降低实验的疑惑

沪教版初三化学教材157页“活动和探究”板块中,提出了少量固体溶于水,使其凝固点降低的观点,然而,按照教材中提供的实验内容去操作,往往现象不尽如人意：实验测得溶液的凝固点远低于理论值；甚至于同种溶液,所测得的凝固点各不相同。而教材中所提及的“稀的蔗糖水和食盐水”又给溶液的配置带来了难题：稀到什么程度才有利于实验的进行？

二、实验探究

1.为何所测得溶液的凝固点远低于理论值，并且相同溶液所测得的结果各不相同？

表1

液体凝固的前提是必须到达凝固点。但是如果液体中缺少足够的凝结核,或者液体处于一种极其稳定的状态,都会导致液体在温度低于凝固点时仍不凝固,处于过冷状态[2]。实验1中的水处于一个相对稳定的状态,而且溶液中缺少结晶核,所以容易处于过冷状态。当实验1中的水过冷以后迅速凝固,液体凝固的过程是一个放热的过程,当液体达到凝固点迅速凝固时会存在明显的升温。实验者由观察到有晶体析出到读出温度计的示数,各人所用时间不同,而此时温度计的示数又在迅速地上升。这也是导致测定同种溶液的凝固点所得结果各不相同的原因。

2.一种误差较小的测定溶液凝固点的方法

为了使凝固点的测量更准确,防止溶液过冷,可在试管中加入一小块碎瓷片或者碎玻璃片,给溶液提供一些结晶核。也可以在实验中在温度接近0℃时开始稍微震荡试管使一部分的水分子率先结冰,形成结晶核。一旦有一些水分子开始结冰,形成结晶核,那么以它们为核心和“榜样”,周围的水分子就会陆续结冰。笔者采用提供结晶核的方法做了以下实验。

表2

使用碎瓷片提供结晶核,很好地解决了溶液的过冷问题,但是将试管放入冰中冷却,试管中的溶液是处于“外冷内热”的状态,而开始结冰的位置是在碎瓷片的周围（试管底部)。由于实验者在测量温度时,把温度计下端的玻璃泡置于溶液的中央,并非开始结冰的位置,故温度计的示数会略高于真实温度。

教学建议：误差较小的测定方法——加碎瓷片,二次降温方法

（1)测量时在溶液中加入一小块碎瓷片,将温度计的玻璃泡紧靠碎瓷片。

（2)采用二次降温：当室内温度较高时,可以先将溶液在冰中降温至接近0℃（一次降温)；立即取出试管稍加振荡,使溶液各个位置的温度相同,再将试管放回冰中继续降温（二次降温),以减小因降温不均而引起的误差。

表3

3.“稀的蔗糖水和食盐水”，稀到什么程度最为合适？

由拉乌尔定律可知,溶液中溶质含量越高,其纯溶剂的蒸气压就越低,从而使其凝固点下降的幅度越大。对于稀溶液来说,凝固点降低和溶液成分的存在以下关系：

△Tf=KfxbB（公式1)

式中,△Tf为凝固点降低值；Kf称为质量摩尔凝固点降低常数,其数值只和溶剂的性质有关,单位为K·kg· mol-1（水的Kf为1.86K·kg·mol-1)；bB是溶质的质量摩尔浓度,是指1kg溶剂中所含溶质的摩尔数。从公式1也可以看出,在稀溶液中,溶质含量越高,其凝固点越低。

而在教材实验中,由于溶液并非是极稀的,故用公式1所计算出来的结果跟实验值仍有较大的误差,应以实验值为准。

实验6：使用加碎瓷片,二次降温的方法,测定不同溶质质量分数的食盐水和蔗糖水的凝固点。

经过多次测量求平均值,数据汇总如下表。

由表4可知,相同溶质质量分数的食盐水和蔗糖水,食盐水的凝固点较低,这主要是因为氯化钠的相对分子质量较小。相同质量的食盐和蔗糖溶于相同质量的水中,食盐水中的溶质微粒较多,其纯溶剂的蒸气压较低,凝固点较低。故教材中“稀的蔗糖水和食盐水”使用相同溶质质量分数的食盐水和蔗糖水并不适宜。个人认为：凝固点为-3～-4℃的溶液较为合适,太高则现象不够明显；太低则降温时间较长,且温度不易达到。而此温度范围内对应的溶液的溶质质量分数,食盐水为4%～6%,蔗糖水为7%～10%。

表4

三、结论

初中阶段的凝固点降低实验由于受到知识深度以及实验条件的限制,对实验数据的精确性要求并不高,只需要得到一个定性的结论。但是教材中给我们的实验内容不够具体,很难得到需要的结论。而做好这个实验,需要两个条件：（1)一种更准确的测量溶液凝固点的方法,（2)选择适当浓度的溶液。采用碎瓷片和二次降温的方法,可以有效地避免溶液的过冷和温度计示数延时的问题；使用4%～6%的食盐水和7%～10%的蔗糖水,实验现象明显。整体实验操作简单,学生完全可以掌握,更有利于学生对于凝固点降低的理解。

[1]傅献彩等.物理化学（第五版）上册[M].北京：高等教育出版社，2005：224

[2]华彤文等.普通化学原理（第3版）[M].北京：北京大学出版社，2005：38