陸晨剛

摘要： 利用DIS電導(dǎo)率探頭，測定不同濃度、不同溫度醋酸的電導(dǎo)率，通過數(shù)據(jù)處理得到醋酸在不同溫度下的電離平衡常數(shù)Ka。發(fā)現(xiàn)醋酸的Ka隨溫度的升高先增大，在25℃附近達(dá)到最大值，繼續(xù)升溫則Ka減小，并非隨溫度升高不斷增大，對此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因作了解釋。

關(guān)鍵詞： 電導(dǎo)法； DIS技術(shù)； 醋酸； 電離常數(shù)測定； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0079-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

高中化學(xué)教科書[1， 2]中一致認(rèn)為： 醋酸的電離平衡正向是吸熱反應(yīng)，電離平衡常數(shù)Ka隨著溫度的升高而增大。常用的醋酸電離平衡常數(shù)Ka測定方法有電位法和電導(dǎo)法： 電位法使用pH計(jì)測定一定濃度醋酸溶液的pH，換算為氫離子濃度后進(jìn)一步求得醋酸的電離平衡常數(shù)Ka，但由于pH探頭對環(huán)境溫度較為敏感，溫度變化會(huì)對測量值產(chǎn)生明顯的干擾，導(dǎo)致測得的pH并不準(zhǔn)確，因此計(jì)算得到的醋酸的電離平衡常數(shù)Ka會(huì)有較大誤差；而電導(dǎo)法研究弱電解質(zhì)的電離平衡、測定弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)具有操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確、誤差小等特點(diǎn)，近年來在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被廣泛采用[3， 4]。隨著DIS技術(shù)在中學(xué)教育階段的普及，已有中學(xué)教師利用DIS電導(dǎo)率數(shù)據(jù)嘗試研究醋酸的電離平衡過程，一般僅限于驗(yàn)證醋酸是弱電解質(zhì)[5]。本文使用電導(dǎo)法測定不同濃度和溫度的醋酸溶液電導(dǎo)率，導(dǎo)入excel軟件后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，獲得醋酸在不同濃度和溫度下的Ka，并對醋酸電離平衡常數(shù)Ka與溫度的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 電導(dǎo)法測定醋酸電離平衡常數(shù)Ka的原理

在弱電解質(zhì)溶液中，只有已經(jīng)電離的部分才能承擔(dān)傳遞電量的任務(wù)。對于醋酸而言，在溶液中達(dá)到電離平衡時(shí)，其電離平衡常數(shù)Ka與濃度cHAc和電離度α有如下關(guān)系：

通過測定電導(dǎo)率κ（mS/cm）可以求得一定濃度c（mol/L）醋酸溶液的摩爾電導(dǎo)率λm（S·m2·mol-1）：

在無限稀釋的溶液中可以認(rèn)為醋酸已全部電離，此時(shí)溶液的極限摩爾電導(dǎo)率為λm， ∞，根據(jù)給定的不同溫度下的極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞，利用一元線性回歸方程確定其他溫度下的λm， ∞[6]。表1列出了一些溫度下醋酸的極限摩爾電導(dǎo)率數(shù)值。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 儀器與試劑

安裝朗威DIS 8.0軟件的電腦、朗威電導(dǎo)率傳感器（LW-C 802，量程： 0～20mS/cm）、優(yōu)萊博循環(huán)恒溫水浴箱SE-26、錐形瓶、移液管、容量瓶、鐵架臺(tái)、濾紙、0.1006mol/L HAc、二次蒸餾水（去離子水）

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 不同濃度HAc溶液的配制： 用移液管量取并配制濃度分別為原始0.1006mol/L HAc溶液濃度1/4、 1/8、 1/16的溶液三份，得到系列濃度為0.1006mol/L、 0.0251mol/L、 0.0126mol/L、 0.0063mol/L的HAc溶液，將系列濃度的醋酸溶液置于恒溫水浴箱內(nèi)。

（2） 調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度為15℃。將朗威DIS數(shù)據(jù)采集器分別連接電腦和電導(dǎo)率傳感器，運(yùn)行配套軟件，按濃度由稀至濃的順序測定上述已恒溫的系列濃度HAc溶液的電導(dǎo)率κ并作記錄，裝置示意圖見圖1。

為確保電導(dǎo)率測量的精準(zhǔn)度，上述溶液的配制需使用二次蒸餾水（去離子水）、電導(dǎo)率探頭需用待測溶液洗滌2～3次，保證待測溶液的濃度不受到影響。

（3） 依次調(diào)節(jié)恒溫水浴箱溫度為： 20℃、 25℃、 30℃、 35℃、 40℃，按照上述方法測定不同溫度，不同濃度醋酸的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并作記錄。

3 數(shù)據(jù)記錄與處理

3.1 不同濃度和溫度下醋酸電導(dǎo)率κ（mS/cm）

數(shù)據(jù)記錄見表2。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 根據(jù)式（c）求電離度α并作圖

依據(jù)表1中的醋酸極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞，利用一元線性回歸方程求得15℃、 20℃時(shí)的醋酸極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞分別為： 0.0332 S·m2·mol-1、 0.0361 S·m2·mol-1，將其與表2中的數(shù)據(jù)分別代入式（c）求得電離度α。用同一溫度（25℃）、不同濃度醋酸對電離度α作圖，得到圖2；用同一濃度醋酸（0.1006mol/L）、不同溫度對電離度α作圖，得到圖3。

3.2.2 根據(jù)式（a）、式（c）或式（d）求Ka

將電離度α代入式（a）可以求得電離平衡常數(shù)Ka，或直接將摩爾電導(dǎo)率λm、極限摩爾電導(dǎo)率λm， ∞代入式（d）求得Ka并取平均值，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

3.2.3 用溫度T（K）對電離平衡常數(shù)Ka作圖

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，用溫度T（K）對105Ka作圖（0.1006mol/L HAc），得到圖4。

4 結(jié)果與討論

4.1 電離度α及其影響因素

利用電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，結(jié)合極限摩爾電導(dǎo)率可以求得不同濃度醋酸的電離度α，且誤差較小。如： 實(shí)驗(yàn)測量計(jì)算得到的25℃、 0.1006mol/L HAc的電離度α為1.29%，理論計(jì)算值為1.32%，兩者基本一致。從圖2可以看出，在同一溫度下，不同濃度醋酸的電離度α隨醋酸濃度的增加而減小，符合勒沙特列原理。從圖3可以看出，同一濃度的醋酸溶液，其電離度α還受到溫度變化的影響。因此，用電離度α表征弱電解質(zhì)的相對強(qiáng)弱需要使用相同溫度和相同濃度的溶液進(jìn)行比較。另外，從圖3還可以看到： 從15℃到40℃，醋酸電離度α先增大，后減小，與高中教材說法并不完全一致。

4.2 電離平衡常數(shù)Ka及其影響因素

為排除多種外界影響因素（如溫度、濃度等）對醋酸電離平衡的綜合影響，考察醋酸電離平衡常數(shù)Ka，從表3的數(shù)據(jù)可以看出實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道值[7]1.76×10-5～1.81×10-5基本一致。但在溫度相同時(shí)，不同濃度醋酸的電離平衡常數(shù)Ka仍存在一定差異，產(chǎn)生偏差的原因可能是由于配制系列濃度醋酸過程中的累積誤差，或是電導(dǎo)率探頭清洗時(shí)去離子水未完全用濾紙吸干等操作誤差造成的。

由表3和圖4均可以看出，醋酸的電離平衡常數(shù)Ka隨溫度的變化而變化，但Ka的變化趨勢并不符合高中教科書中認(rèn)為的醋酸的電離平衡常數(shù)Ka隨溫度的升高而變大。從圖4可以看出，電離平衡常數(shù)Ka在低溫（<25℃）時(shí)，隨溫度的升高而增大；在25℃附近達(dá)到最大值；當(dāng)溶液溫度超過25℃后，醋酸的電離平衡常數(shù)Ka又逐漸減小。根據(jù)范霍夫方程： lnK1K2=ΔHR1T2-1T1可推得： 在低溫（<25℃）時(shí)，醋酸的電離焓ΔH>0；當(dāng)溫度超過25℃后，醋酸的電離焓ΔH<0。

4.3 分析與討論

從上述結(jié)果來看，對于電離度α或是電離平衡常數(shù)Ka，溫度對其造成的影響均與高中化學(xué)教材的表述不完全一致。造成上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因可能是： 醋酸分子間容易通過氫鍵作用（25～40kJ/mol）形成穩(wěn)定性較高的二聚分子，而醋酸本身的電離焓僅為3.73kJ/mol（25℃）。因此，醋酸在溶液中的電離過程除解離過程（吸熱）和水合過程（放熱）之外，還需要考慮醋酸分子之間的氫鍵作用。在低溫時(shí)，醋酸分子之間較多的以氫鍵締合形成二聚醋酸，此時(shí)醋酸的電離首先需要吸熱來破壞作用力較強(qiáng)的氫鍵，因此，整個(gè)電離過程的焓變?chǔ)>0；當(dāng)升高到一定溫度后，二聚醋酸分子含量大為減少，分子間的氫鍵作用不占主導(dǎo)地位，反而由于自由離子的水合過程所釋放的能量大于醋酸分子解離過程所吸收的能量，從而表現(xiàn)為電離過程的焓變?chǔ)<0，于是醋酸的電離度α和電離平衡常數(shù)Ka就出現(xiàn)了上述隨溫度變化的情況。

綜上，“弱電解質(zhì)在水中的電離是一個(gè)吸熱過程，因此，升高溫度會(huì)促使電離平衡向電離的方向移動(dòng)，電離平衡常數(shù)也隨之增大”，這種說法是不嚴(yán)密的，只適合部分弱電解質(zhì)。弱電解質(zhì)在水溶液中的電離平衡移動(dòng)方向與溫度的升降之間并不完全一致，不能當(dāng)作普遍適用的規(guī)律性結(jié)論來應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)可以確定的是： 醋酸的電離平衡常數(shù)Ka的數(shù)值在不同溫度下相差不大，反映出弱電解質(zhì)電離過程的熱效應(yīng)較小。正如魯科版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》[8]中指出的：“弱電解質(zhì)電離過程的熱效應(yīng)較小，在溫度變化不大的情況下，一般可不考慮溫度變化對電離平衡的影響。”

5 結(jié)語

利用DIS電導(dǎo)法技術(shù)探究醋酸的電離平衡過程，一方面可以作為高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對弱電解質(zhì)溶液的電離平衡規(guī)律的驗(yàn)證和檢驗(yàn)（如溫度、濃度對電離度α和電離平衡常數(shù)Ka的影響），另一方面還可以通過由定性解釋到定量實(shí)驗(yàn)的改變，藉由DIS技術(shù)的幫助，縮短探究實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，拓展探究問題的思路，不僅開闊了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野、知識(shí)范圍，更使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中提高了科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)了探究能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

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