陸晨剛

摘要： 利用DIS電導率探頭，測定不同濃度、不同溫度醋酸的電導率，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)象產生的原因作了解釋。

關鍵詞： 電導法； DIS技術； 醋酸； 電離常數(shù)測定； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）7-0079-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

高中化學教科書[1， 2]中一致認為： 醋酸的電離平衡正向是吸熱反應，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法： 電位法使用pH計測定一定濃度醋酸溶液的pH，換算為氫離子濃度后進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，溫度變化會對測量值產生明顯的干擾，導致測得的pH并不準確，因此計算得到的醋酸的電離平衡常數(shù)Ka會有較大誤差；而電導法研究弱電解質的電離平衡、測定弱電解質的電離平衡常數(shù)具有操作簡單、結果準確、誤差小等特點，近年來在大學化學實驗教學中被廣泛采用[3， 4]。隨著DIS技術在中學教育階段的普及，已有中學教師利用DIS電導率數(shù)據(jù)嘗試研究醋酸的電離平衡過程，一般僅限于驗證醋酸是弱電解質[5]。本文使用電導法測定不同濃度和溫度的醋酸溶液電導率，導入excel軟件后對數(shù)據(jù)進行相關處理，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與溫度的關系進行了探討。

1 電導法測定醋酸電離平衡常數(shù)Ka的原理

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

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

在無限稀釋的溶液中可以認為醋酸已全部電離，此時溶液的極限摩爾電導率為λm， ∞，根據(jù)給定的不同溫度下的極限摩爾電導率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率數(shù)值。

2 實驗過程

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、濾紙、0.1006mol/L HAc、二次蒸餾水（去離子水）

2.2 實驗步驟

（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。

（2） 調節(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率傳感器，運行配套軟件，按濃度由稀至濃的順序測定上述已恒溫的系列濃度HAc溶液的電導率κ并作記錄，裝置示意圖見圖1。

為確保電導率測量的精準度，上述溶液的配制需使用二次蒸餾水（去離子水）、電導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率λm， ∞，利用一元線性回歸方程求得15℃、 20℃時的醋酸極限摩爾電導率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，或直接將摩爾電導率λm、極限摩爾電導率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 結果與討論

4.1 電離度α及其影響因素

利用電導率數(shù)據(jù)，結合極限摩爾電導率可以求得不同濃度醋酸的電離度α，且誤差較小。如： 實驗測量計算得到的25℃、 0.1006mol/L HAc的電離度α為1.29%，理論計算值為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表征弱電解質的相對強弱需要使用相同溫度和相同濃度的溶液進行比較。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)可以看出實驗計算結果與文獻報道值[7]1.76×10-5～1.81×10-5基本一致。但在溫度相同時，不同濃度醋酸的電離平衡常數(shù)Ka仍存在一定差異，產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，或是電導率探頭清洗時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，隨溫度的升高而增大；在25℃附近達到最大值；當溶液溫度超過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，醋酸的電離焓ΔH>0；當溫度超過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教材的表述不完全一致。造成上述實驗結果的原因可能是： 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，醋酸分子之間較多的以氫鍵締合形成二聚醋酸，此時醋酸的電離首先需要吸熱來破壞作用力較強的氫鍵，因此，整個電離過程的焓變ΔH>0；當升高到一定溫度后，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ΔH<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，“弱電解質在水中的電離是一個吸熱過程，因此，升高溫度會促使電離平衡向電離的方向移動，電離平衡常數(shù)也隨之增大”，這種說法是不嚴密的，只適合部分弱電解質。弱電解質在水溶液中的電離平衡移動方向與溫度的升降之間并不完全一致，不能當作普遍適用的規(guī)律性結論來應用。通過實驗可以確定的是： 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，反映出弱電解質電離過程的熱效應較小。正如魯科版選修4《化學反應原理》[8]中指出的：“弱電解質電離過程的熱效應較小，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?！?/p>

5 結語

利用DIS電導法技術探究醋酸的電離平衡過程，一方面可以作為高中化學實驗教學中對弱電解質溶液的電離平衡規(guī)律的驗證和檢驗（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驗的改變，藉由DIS技術的幫助，縮短探究實驗的時間，拓展探究問題的思路，不僅開闊了學生的學習視野、知識范圍，更使學生在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中提高了科學素養(yǎng)，增強了探究能力、創(chuàng)新精神和實踐動手能力，從而達到更好的教學效果。

參考文獻：

[1]姚子鵬主編. 高級中學課本·化學（高中一年級第2學期）[M]. 上海： 上?？茖W技術出版社， 2010.

[2]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2011.

[3]李將源， 李元文， 王文斌. 基于Lab VIEW 7 Express電導法測定弱酸解離常數(shù)的虛擬儀器[J]. 云南大學學報（自然科學版）， 2007， 29（1）： 67～71.

[4]周鋼， 蘭葉青. 電導法測定醋酸的電離平衡常數(shù)實驗的改進[J]. 大學化學， 2004， 19（6）： 35～37.

[5]王磊， 司步磊. 利用手持技術實驗測定醋酸為弱電解質[J]. 中小學實驗與裝備， 2016， 26（4）： 64～64.

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[7]傅獻彩， 沈文霞， 姚天揚等. 物理化學（下冊）（第5版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006： 27.

[8]王磊主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2011.