关于证明电离平衡实验方案的商榷

1 2 下一页 由人民教育出版社化学室编著，2003年出版的全日制普通高级中学教科书(必修加选修)《化学》第三册·第六单元·第二节·性质实验方案的设计习题中，有这样一道习题：设计实验，证明弱电解质的电离平衡是客观存在的。(提示：可用冰醋酸、电流表、蒸馏水等)。《教师教学用书》中，对该题的参考答案是这样的：在500mL或1000mL的烧杯中，加入少量的冰醋酸，刚好使电极浸没为止，用电极导线连接电流表、接通电源，观察电流表指针摆动的情况。然后用蒸馏水逐滴地进行稀释，边加蒸馏水边振荡或用玻璃棒搅动。在稀释前指针不动，随着稀释电流表指针摆动越来越大。如果不断稀释，电流表指针摆动又会逐渐减少。由此，就证明弱电解质的电离平衡是客观存在的。笔者并不完全认同，提出以下观点与同仁共同商讨。
　　
　　中学课本中对电解质的解释是：在水溶液里或熔融状态下，能够导电的化合物，就是电解质。根据电解质在水溶液中电离能力的大小，又可以把电解质分为强电解质和弱电解质。(见2003年3月人教版教材第二册P55～P56)。因此，该题中的“电离平衡”是指弱电解质在水溶液中的电离平衡。
　　
　　冰醋酸中滴入少量的水，醋酸分子数多于水分子数，此溶液中，醋酸为溶剂，水为溶质，是水的醋酸溶液。这种溶液的性质与水为溶剂，醋酸为溶质的溶液性质是不一样的，因此，用水的醋酸溶液去研究醋酸水溶液的电离平衡是不合适的。实验过程中，没有水时，醋酸不能发生电离就没有离子，电流表针不摆动，指向零处。随着逐滴加水、电流表的指针摆动越来越大。其原因是：在水分子的作用下，醋酸分子电离出了能在电场作用下做定向移动的自由离子，随着水的增加，水的作用越来越大，电离出的离子越来越多，醋酸水溶液的导电能力就增加。
　　
　　若用固态氯化钙、或固态氯化镁代替醋酸来做这样的实验，也可以达到这样的效果。没有水，固态氯化钙不发生电离，没有自由的离子，电流表指针不动，指针为零。当滴入少量水时，氯化钙少量溶解形成溶液，并在固体氯化钙表面就形成了液膜，这些液膜中的自由离子可以导电。随着不断滴水，液膜不断增多和不断增厚，自由离子不断增多，导电面积也不断地增大，电流表的指针摆动就越来越大了。相比之下，这个实验的现象不是弱电解质所特有的，类似氯化钙、氯化镁等易潮解的强电解质也可以产生。
　　
　　而实验的结果只证明醋酸(弱电解质)电离的存在，并没有证明出醋酸(弱电解质)电离平衡的存在。电离平衡是指在一定条件(如温度、浓度)下，当电解质分子电离成离子的速率和离子重新结合成分子的速率相等时，电离过程就达到了平衡状态(见教材第二册P56)。电离平衡属于化学平衡，其特性与化学平衡相似，平衡的移动遵循平衡移动原理(勒夏特列原理)：如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等)，平衡就向能减弱这种改变的在温度不变时，加水稀释过程中，醋酸溶液发生平衡移动。混合物体系中的分子数、醋酸根离子数、氢离子数，就会发生改变。因此只要能证明加水稀释醋酸溶液过程中，醋酸根离子数氢离子数发生了增加，且遵循勒夏特列原理，就可以证明平衡发生了移动，即醋酸溶液中存在电离平衡。当向冰醋酸中滴加水，使之形成醋酸溶液之后，继续滴加水，溶液体积增大各种微粒的浓度也随之减小(水分子除外)。电流表指针摆动越来越小，可以说明溶液中能够导电的醋酸根离子、氢离子浓度越来越小，并不能说明体系的醋酸分子数目，醋酸根离子、氢离子数目发生了改变。另外若用滴加水稀释氯化钠溶液来做这样的实验，电流表指针摆动也会越来越小，事实上氯化钠(强电解质)溶液中氯化钠是完全电离的，不存在电离平衡。这样的实验结果，证明稀释醋酸时各种离子浓度发生了变化。证明不了浓度的变化是否符合勒夏特列原理。这样证明醋酸溶液电离平衡的存在，显然不够充分。
　　
　　稀释醋酸过程中，根据勒复特列原理可知，醋酸的电离程度提高，各离子的总数比原体系的离子总数增多，溶液稀释倍数的增加，与各离子浓度的减少倍数就不一致，导致溶液的导电率(或电流强度)的减少倍数与溶液稀释倍数也不一致，成曲线关系，而不是直线关系。利用这样的事实，就可以验证醋酸溶液中存在电离平衡。但实验中，需要用多种容量瓶，对醋酸溶液进行多组不同倍数的稀释，并用精密度较高的电流计，测量不同浓度下醋酸溶液的导电率(或电流)。
　　
　　而在烧杯中逐渐滴加水稀释醋酸溶液，虽然可以测得不同情况的导电率(电流强度)。但不能确定不同导电率(电流强度)溶液准确的浓度。也不能获得溶液浓度变化与电流强度变化的准确关系。因此《教师教学用书》中，证明电离平衡存在的实验方法是不完善的。使用该方法也不能达到验证电离平衡的效果。
　　
　　验证过程中都应该充分认识到：电离存在，并不一定存在电离平衡;溶液在稀释时溶液浓度的变化，不等同于溶液中离子浓度的变化。强电解质溶液中，不存在电离平衡，溶液浓度的变化与离子浓度的变化相一致，而在弱电解质溶液中，溶液浓度变化与离子浓度的变化不一致。在稀释溶液的过程中，溶液浓度减小与稀释倍数有关，而离子浓度的变化，不仅与稀释倍数有关，还要符合勒夏特列原理，与电离平衡移动有着密切的联系，理顺了这些关系，对《教师教学用书中》中的实验方案进行改进，可以设计出能够证明弱电解质电离平衡是客观存在实验的多种方案。
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