1、兩種液體混合后體積效應的實驗探究王墨炎1 武瑞楊1 張長笑1 周廣來1指導教師：王立平1 許明遠21 河北省保定學院生化系 0710002 河北省保定學院科研處 071000摘要： 采用相對密度法探究了兩種極性溶劑、兩種非極性溶劑、一種極性溶劑與一種非極性溶劑混合后體積變化情況，并探討了兩種液體混合后體積變化的原因。實驗探究的成果說明 “開放實驗室，倡導自主學習、研究型學習”是培養高校理工科學生創新能力的有效途徑。關鍵詞：混合液體；體積效應；實驗探究；創新能力 在中學學習分子的基本性質“分子間有一定的間隔”之時 1-2：，為了幫助我們理解這一知識點，教師演示了 “酒精和水的混合”實驗(見圖1)

2、，用“100毫升水和100毫升酒精混合總體積會小于200ml”圖1 酒精和水的混合實驗為了加深對該知識點的理解，還安排了家庭小實驗（見圖2）。圖2 家庭小實驗 在分析討論實驗結果時，把酒精與水混合時體積縮小的原因明確為“分子本身的大小不同，分子相互填補間隙所致”。通過實驗得到的這一結論使我們印象非常深刻，并且認為“液體混合時體積一定縮小”、“混合液體積減小的原因是由于不同大小的分子間填補間隙所致”。因此在無機化學實驗“溶液配制”課堂討論環節，對于教師提出的“兩種液體混合后體積如何變化？”這一問題，我們異口同聲的表示“體積減小”。兩種液體混合后體積一定減小嗎？引起混合液體積變化的根本原因是什么？

3、為了探究這一問題的答案，在教師的指導下，利用開放實驗室的機會進行了實驗探究。關于兩種液體混合后體積變化的原因，前人也做過一些探討，但是，實驗內容不充分，給出的原因解釋也不全面3-6。因此，通過實驗探究不同性質的溶劑之間混合后的體積效應，并進一步探討混合液體體積改變的根本原因， 不僅使我們對“液體混合后的體積效應”有一個全面的理解，也為中學教師講授“分子間存在空隙”有關知識提供了理論依據。同時還激發了我們的創新意識，提升了創新能力。1 實驗部分1.1 主要儀器與試劑1.1.1 主要儀器密度瓶，移液管，量筒，碘量瓶，電子天平1.1.2 主要試劑乙醇、冰醋酸、甲苯、四氯化碳、苯1.2實驗原理 本實驗

4、采用密度法，用密度瓶測出乙醇、水及混合液的密度。然后用電子天平分別稱出乙醇、水和混合液的質量m，根據V = m/，分別計算出乙醇、水及混合液的體積，用混合液的體積減去乙醇和水的體積，得到混合后液體的增容V。1.3實驗內容1.3.1 探究乙醇和水混合前后體積變化(1)用密度瓶分別測出乙醇與水的密度(乙醇)和(水)。(2)用移液管準確量取一定體積的水，放入已稱出質量的碘量瓶中，將瓶口塞緊，在電子天平上稱其質量，得水的質量m(水)。(3)再往上述碘量瓶中注入一定體積的乙醇，將瓶口塞緊，稱量，得混合液質量m(混)、乙醇質量m(乙醇)。(4)搖勻混合液，用密度瓶測出混合液的密度(混)。(5 )依據V =

5、 m/，分別計算出V( 乙醇)、V(水)、V(混)及V的數值。實驗結果見表1和表2。表1 固定水的體積為5.00mL，改變乙醇的體積V乙醇/mLm(水)/gm(乙醇)/gm(混)/gV(水)V( 乙醇)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.04.9244.9824.9414.9525.0335.0524.9994.9824.9933.9497.83111.11914.88818.37921.81125.56429.27433.1448.87312.81316.06019.84023.41226.86330.56334.25638.1374.7534.

6、8094.7704.7800.9004.8764.8254.8094.8195.05610.02714.23719.06323.53327.92732.76337.48342.4389.71414.08317.87221.47728.07931.36733.96639.92745.250-0.095-0.753-1.135-2.366-0.312-1.436-3.591-2.320-0.201表2 固定乙醇的體積為5.00mL，改變水的體積V水/mLm(乙醇)/gm(水)/gm(混)/gV(水)V( 乙醇)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.03.

7、9283.9723.8963.9203.9103.9523.9603.9043.9325.0189.88714.17118.70423.42328.17632.950137.48842.3168.94613.85918.06722.62427.33332.12836.91041.39246.2484.8449.54313.67918.05422.60927.19731.80536.18540.8465.0295.0864.9885.0195.0065.0605.0704.9995.0359.44513.43217.03123.59126.98831.72236.41537.99543.360-

8、0.428-1.197-1.636-0.518-0.617-0.535-0.460-3.189-2.521實驗結果及分析：由表1和表2可知：當乙醇和水以不同比例，不同的加入順序混合時，混合液體積均變小，當乙醇和水的比例為1:71:8時，混合液體積改變最明顯。1.3.2探究冰醋酸和甲苯混合前后體積變化按上述實驗步驟進行實驗，實驗結果見表3和表4。表3固定冰醋酸的體積為5.00mL，改變甲苯的體積V甲苯 /mLm(醋酸)/gm(甲苯)/gm(混)/gV(醋酸)V( 甲苯)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.05.2215.2695.2405.3155.

9、2445.2415.2635.2285.2294.3088.56612.51516.36919.84624.34327.81732.47436.4249.52913.83517.75521.68425.09029.58433.08037.70241.6534.8164.8614.8344.9034.8384.8354.8554.8234.8244.8799.70114.17318.53822.47627.56931.50336.77741.25010.14114.92419.19924.52927.57733.65633.81742.77947.4430.4460.1620.1921.0880

10、.2631.2521.2231.1791.369表4 固定甲苯的體積為5.00mL，改變醋酸的體積V醋酸 /mLm(甲苯)/gm(醋酸)/gm(混)/gV(醋酸)V( 甲苯)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.04.3374.3474.3584.3544.3614.3164.3474.3424.3445.23011.20214.74019.72324.07329.38334.21039.28544.5509.56715.54919.09824.07728.43433.69938.55743.62648.8944.82510.11813.59818.

11、19522.20827.10631.55936.24041.0984.9124.9234.9354.9314.9394.8884.9234.9174.92010.22115.37318.80524.25628.56333.55638.25141.66847.7720.4840.3320.2721.131.4321.5621.7690.5111.175實驗結果及分析：由表3和表4可得到結論：當甲苯與醋酸以不同比例，不同的加入順序混合時，混合液體積均變大。當冰醋酸和甲苯的比例為1:71:9時，混合液體積改變最明顯。2.3.3探究四氯化碳和苯混合前后體積變化按上述實驗步驟進行實驗，實驗結果見表5和表

12、6。表5 固定四氯化碳的體積為5.00mL，改變苯的體積V苯 /mLm(CCl4)/gm(苯)/gm(混)/gV(CCl4)V( 苯)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.07.8827.9227.9227.9487.9077.8578.0047.9047.9394.3338.71612.93217.16920.02724.46828.58533.37536.63012.21516.63820.85425.11727.93432.32536.58941.27944.5694.8364.8604.8604.8764.8514.8204.9104.849

13、4.8714.4678.98613.33217.70020.64625.22329.46934.40737.76310.60815.07618.95123.13727.92130.12038.08942.70246.7751.3051.2300.7590.5612.4240.0773.7103.4464.1416 固定苯的體積為5.00mL，改變四氯化碳體積V CCl4 /mLm(苯)/gm(CCl4)/gm(混)/gV(CCl4)V( 苯)V(混)V5.0010.0015.020.025.030.035.040.045.04.3804.3574.3574.3824.3684.3994.352

14、4.3584.3217.89915.78122.99931.21736.61644.33151.95959.76767.89212.27920.13827.35635.59940.98448.73056.31164.12572.2134.8464.5034.5034.5164.5014.5334.4854.4914.4534.5149.68214.11019.15219.15222.46431.87736.66741.1659.64914.60319.70324.12524.12528.06137.75342.33047.2980.2890.4181.0900.4570.4571.0961.3

15、911.1721.680實驗結果及分析：由表5和表6發現：當苯與四氯化碳以不同比例，不同的加入順序混合時，混合液體積均變大。當四氯化碳和苯體積比為1:9時，混合液體積改變最明顯。2 混合液體積變化的原因根據近代溶液熱力學的研究可知7，當由兩種純液體組分混合而形成溶液時，溶液的很多熱力學性質 (如自由能、焓、嫡、摩爾體積等)都不等于混合前純組分相應熱力學性質的簡單加和，我們把其間的差值稱作混合性質的改變。例如，由xl mol的液體1與x2 mol的液體2混合成1mol的溶液時，混合體積的變化Vm可表示成：Vm是溶液的摩爾體積，V1是與混合液處于相同溫度與壓力下的純組分的摩爾體積，x1是組分的物質

16、的量分數。式中括號一項即為混合前純液體1與2的體積之和。Vm值與壓力、溫度以及溶液組成有關，在恒溫、恒壓條件下，由不同液體混合成溶液時體積改變情況是不相同的，Vm數值可正、可負、也可近似為零（在結構上非常相似的物質如苯和甲苯混合時，接近理想混合液），這和我們的實驗結果相符合。液體混合時熱力學性質的變化是混合物中各種分子對之間相互作用的綜合體現。在由兩種不同的液體組成的溶液中，總的相互作用能則是1一1、2一2和1一2分子對間相互作用的綜合結果，分子間的相互作用力直接影響到分子間的距離，而分子間的平衡距離的大小又決定著溶液的體積。因此，一切影響分子間相互作用的因素，諸如分子體積、形狀、極性、組成、

17、各分子對間的相互作用能等，勢必影響液體混合時的體積變化值。下面幾種情況混合液體積改變比較明顯：（1）在組分1和2分子間有化學作用力形成化合物或由不締合分子在混合后發生締合時，相互作用能增強，混合液體積減小。如乙醇和水混合后，雖然混合前乙醇分子間、水分子間均存在分子間氫鍵，但是混合后乙醇和水互溶時二者分子間通過氫鍵形成溶劑化物，使變化前后的分子間作用能增大，分子間相互作用增強，這時兩種液體混合后總體積減小。如三氯甲烷和甲酸甲酯混合前，分子間只有分子間力，不存在氫鍵，當混合后，三氯甲烷和甲酸甲酯分子間可以形成跨組分氫鍵而締合（如下圖），這時兩種液體混合后總體積減小。（2）在組分1和2分子原為締合分

18、子，而在混合后形成溶液時發生解離情況下，相互作用能減弱，混合液體積增大。如冰醋酸和其它溶液混合后總體積增大，是由于乙酸分子間通過氫鍵締合，形成特殊的二聚體結構。甲苯、二氯甲烷等溶劑只存在分子間力。當乙酸和它們混合后，乙酸分子間的氫鍵被破壞，體系中只有分子間作用力，相互作用能減弱，混合液體積增大。（3）在組分1和2分子間的作用小于純液體分子間偶極-偶極的作用下，當兩種液體混合后，會破壞純液體分子間偶極-偶極的作用，混合液體積增大。如苯和四氯化碳混合后，由于苯和四氯化碳分子間的作用力比純液體分子間偶極-偶極的作用小，當苯分子進入四氯化碳分子中時，導致四氯化碳分子間偶極-偶極作用破裂，表現出混合后體

19、積增大。3 結論1、選用“1體積黃豆和1體積綠豆混合實例”證明分子間有一定的間隔是不嚴密的，選用“酒精和水的混實驗”證明分子間有一定的間隔是不合適的，在學生還沒有接觸分子間力、氫鍵等概念的前提下如何解釋混合后體積變小成為一個難題。建議中學教師選用“氣體的可壓縮性”來設計實驗證明分子間有一定的間隔。2、兩種液體混合時體積變化的根本原因是由于體系內各分子對之間相互作用的綜合結果，分子間的相互作用力直接影響到分子間的距離，而分子間的平衡距離的大小又決定著溶液的體積。3、影響分子間相互作用的因素，諸如分子體積、形狀、極性、組成、各分子對間的相互作用能等，勢必影響液體混合時的體積變化值。創新是一個民族生

20、存和發展的永恒動力，創新能力是衡量大學生綜合素質高低的關鍵因素，只有具備自主學習、研究型學習能力，才能對于新的知識不斷主動學習，從而發現問題與解決問題，提出新思維，促進創新能力的發展，并成長為真正的創新人才。參考文獻1 課程教材研究所. 義務教育課程標準試驗教科書 九年級化學 上冊M， 北京：人民教育出版社，2006：49-53.2 中學化學國家課程標準研制組. 義務教育課程標準實驗教科書 化學M，上海：上海教育出版社，2010：63-64.3 張月梅, 鄭長龍.關于2種液體混合后增容的實驗探究以乙酸和苯混合為例J . 化學教育， 2007，7： 55-60.4楊旭東. 液體混合時體積變化的原因J . 化學教育， 1999， 6：37-38.5 丁舒靜. 二元液體混合物的過量體積模型J .化工學報，2004，55(7)：1041-1046.6趙平.兩種液體混合時體積一定縮小嗎J .化學教學，1997（2）：42.7 韓德剛. 化學熱力學M . 北京：高等教育出版社，1997：273-274.Two solutions are mixed volume effect experiment researchMoYan Wang1, RuiYang Wu1, ChangXiao Zhang1, Gua