酒精和水混合实验分析

酒精和水混合实验分析

白佳钰

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89.38g。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100.0ml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1000ml34.35%氨水，用1000ml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)

0.88034.3517.75

0.93416.659.13

0.93616.068.83

0.93616.0798.84

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&pide;0.936=2008.5（ml）。

这个结果是我们没有想到的。“1000ml34.35%氨水，与1000ml水混合”，结果竟然会多出8.5ml。

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=1002.1ml水（用的是20℃时的水，其密度为0.99802）。

用1002.1ml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29.25g固体NaOH，与1000.8g水。折合成体积为13.7(cm-3)固体NaOH，与1002.6ml水（要考虑20℃时水的密度）。溶液比溶剂还是少了2.6ml。

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=21.4g。需要的水为1020-21.4=998.6g，相当于1000.4ml的水。

也有溶液比原溶剂体积少0.4ml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“1000ml34.35%氨水，用1000ml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