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(yǎng)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(yǎng)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(tài)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(jù)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(shù)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(xiàn)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(wěn)定的狀態(tài),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(tài)[2]。實驗1中的水處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),而且溶液中缺少結晶核,所以容易處于過冷狀態(tài)。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(shù),各人所用時間不同,而此時溫度計的示數(shù)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?yōu)楹诵暮汀鞍駱印?周圍的水分子就會陸續(xù)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(tài),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(shù)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(xù)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(shù),其數(shù)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(shù)。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(shù)的食鹽水和蔗糖水的凝固點。

經過多次測量求平均值,數(shù)據(jù)匯總如下表。

由表4可知,相同溶質質量分數(shù)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(shù)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(xiàn)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(shù),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(shù)據(jù)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(shù)延時的問題；使用4%～6%的食鹽水和7%～10%的蔗糖水,實驗現(xiàn)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

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.10.032