關于凝固點降低實驗的幾點疑惑和探究

何建俊

（江蘇省金壇市洮西中學江蘇金壇213200）

關于凝固點降低實驗的幾點疑惑和探究

何建俊

（江蘇省金壇市洮西中學江蘇金壇213200）

學生低效的學習情況與他們不會對有關化學信息進行選擇性注意、化學學習中沒有養成良好的注意習慣有關。化學教師在教學中幫助學生選擇性注意，養成良好的學習習慣，將有助于提高學生學習化學的有效性。

選擇性注意；研究

凝固點降低是指在一定壓力下固態溶劑與溶液兩相平衡的溫度低于純溶劑固、液兩相平衡的溫度。根據拉烏爾定律[1],在一定溫度下,溶液的蒸氣壓等于純溶劑的蒸氣壓與溶劑的摩爾分數之積,即P=PB0xxB。固體溶于水后,導致溶液中純溶劑的蒸氣壓降低,進而使溶液的凝固點降低。

一、關于凝固點降低實驗的疑惑

滬教版初三化學教材157頁“活動和探究”板塊中,提出了少量固體溶于水,使其凝固點降低的觀點,然而,按照教材中提供的實驗內容去操作,往往現象不盡如人意：實驗測得溶液的凝固點遠低于理論值；甚至于同種溶液,所測得的凝固點各不相同。而教材中所提及的“稀的蔗糖水和食鹽水”又給溶液的配置帶來了難題：稀到什么程度才有利于實驗的進行？

二、實驗探究

1.為何所測得溶液的凝固點遠低于理論值，并且相同溶液所測得的結果各不相同？

表1

液體凝固的前提是必須到達凝固點。但是如果液體中缺少足夠的凝結核,或者液體處于一種極其穩定的狀態,都會導致液體在溫度低于凝固點時仍不凝固,處于過冷狀態[2]。實驗1中的水處于一個相對穩定的狀態,而且溶液中缺少結晶核,所以容易處于過冷狀態。當實驗1中的水過冷以后迅速凝固,液體凝固的過程是一個放熱的過程,當液體達到凝固點迅速凝固時會存在明顯的升溫。實驗者由觀察到有晶體析出到讀出溫度計的示數,各人所用時間不同,而此時溫度計的示數又在迅速地上升。這也是導致測定同種溶液的凝固點所得結果各不相同的原因。

2.一種誤差較小的測定溶液凝固點的方法

為了使凝固點的測量更準確,防止溶液過冷,可在試管中加入一小塊碎瓷片或者碎玻璃片,給溶液提供一些結晶核。也可以在實驗中在溫度接近0℃時開始稍微震蕩試管使一部分的水分子率先結冰,形成結晶核。一旦有一些水分子開始結冰,形成結晶核,那么以它們為核心和“榜樣”,周圍的水分子就會陸續結冰。筆者采用提供結晶核的方法做了以下實驗。

表2

使用碎瓷片提供結晶核,很好地解決了溶液的過冷問題,但是將試管放入冰中冷卻,試管中的溶液是處于“外冷內熱”的狀態,而開始結冰的位置是在碎瓷片的周圍（試管底部)。由于實驗者在測量溫度時,把溫度計下端的玻璃泡置于溶液的中央,并非開始結冰的位置,故溫度計的示數會略高于真實溫度。

教學建議：誤差較小的測定方法——加碎瓷片,二次降溫方法

（1)測量時在溶液中加入一小塊碎瓷片,將溫度計的玻璃泡緊靠碎瓷片。

（2)采用二次降溫：當室內溫度較高時,可以先將溶液在冰中降溫至接近0℃（一次降溫)；立即取出試管稍加振蕩,使溶液各個位置的溫度相同,再將試管放回冰中繼續降溫（二次降溫),以減小因降溫不均而引起的誤差。

表3

3.“稀的蔗糖水和食鹽水”，稀到什么程度最為合適？

由拉烏爾定律可知,溶液中溶質含量越高,其純溶劑的蒸氣壓就越低,從而使其凝固點下降的幅度越大。對于稀溶液來說,凝固點降低和溶液成分的存在以下關系：

△Tf=KfxbB（公式1)

式中,△Tf為凝固點降低值；Kf稱為質量摩爾凝固點降低常數,其數值只和溶劑的性質有關,單位為K·kg· mol-1（水的Kf為1.86K·kg·mol-1)；bB是溶質的質量摩爾濃度,是指1kg溶劑中所含溶質的摩爾數。從公式1也可以看出,在稀溶液中,溶質含量越高,其凝固點越低。

而在教材實驗中,由于溶液并非是極稀的,故用公式1所計算出來的結果跟實驗值仍有較大的誤差,應以實驗值為準。

實驗6：使用加碎瓷片,二次降溫的方法,測定不同溶質質量分數的食鹽水和蔗糖水的凝固點。

經過多次測量求平均值,數據匯總如下表。

由表4可知,相同溶質質量分數的食鹽水和蔗糖水,食鹽水的凝固點較低,這主要是因為氯化鈉的相對分子質量較小。相同質量的食鹽和蔗糖溶于相同質量的水中,食鹽水中的溶質微粒較多,其純溶劑的蒸氣壓較低,凝固點較低。故教材中“稀的蔗糖水和食鹽水”使用相同溶質質量分數的食鹽水和蔗糖水并不適宜。個人認為：凝固點為-3～-4℃的溶液較為合適,太高則現象不夠明顯；太低則降溫時間較長,且溫度不易達到。而此溫度范圍內對應的溶液的溶質質量分數,食鹽水為4%～6%,蔗糖水為7%～10%。

表4

三、結論

初中階段的凝固點降低實驗由于受到知識深度以及實驗條件的限制,對實驗數據的精確性要求并不高,只需要得到一個定性的結論。但是教材中給我們的實驗內容不夠具體,很難得到需要的結論。而做好這個實驗,需要兩個條件：（1)一種更準確的測量溶液凝固點的方法,（2)選擇適當濃度的溶液。采用碎瓷片和二次降溫的方法,可以有效地避免溶液的過冷和溫度計示數延時的問題；使用4%～6%的食鹽水和7%～10%的蔗糖水,實驗現象明顯。整體實驗操作簡單,學生完全可以掌握,更有利于學生對于凝固點降低的理解。

[1]傅獻彩等.物理化學（第五版）上冊[M].北京：高等教育出版社，2005：224

[2]華彤文等.普通化學原理（第3版）[M].北京：北京大學出版社，2005：38

1008-0546（2011）10-0064-02

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2011.10.032