說明溶液的凝固點下降 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n  教師如何向學生說明「溶液的凝固點下降」？ 在「溶液的性質」這一章中有一個小節：「溶液的沸點與凝固點」，主要的概念是「溶液的沸點上升」與「溶液的凝固點下降」，前者比較容易說明，學生在理解上比較沒有問題，但是後者不容易說明清楚，請問有沒有比較好的方式以說明「溶液的凝固點下降」這個概念？此外，某些教科書上特別強調：「溶液的沸點上升」與溶質種類有關，「溶液的凝固點下降」則與溶質種類無關，為什麼？ n  先談凝固點的定義 答覆內容：此一問題，高中化學的前輩教師薛勝雄老師於1983年出版一套「新細說化學」，對「溶液的凝固點下降」已有精闢的解說，本人不敢掠人之美，僅能就薛勝雄老師當年書上解說方式與參考一些資料，將這個問題一步一步解析，給對這部份有需要的老師們參考。解析內容如下： 1.        以水為例，其固相與液相在不同溫度下的蒸氣壓如表1。 表1：冰和水在不同溫度下的蒸氣壓 2.        繪製表1中冰與水的蒸氣壓與溫度的關係，得到圖1。 (1)     水的蒸氣壓曲線為OA，OB則為過冷狀態的水，處於不穩定的狀態。 (2)     冰的蒸氣壓曲線為OC，OD則為過熱狀態的冰，亦處於不穩定的狀態。 (3)     冰的蒸氣壓曲線較水的蒸氣壓曲線陡，表示冰的蒸氣壓受溫度變化的影響較大，這是因為冰和水蒸氣的熵變比水與水蒸氣的熵變大。【註：熵變即亂度變化。】 圖1：純物質在固相和液相的蒸氣壓 （圖片來源：新細說化學，薛勝雄編著，建弘出版社） 3.        圖2是凝固點測定裝置的示意圖，用以測定水的凝固點。這是一個密閉系統，其操作方式如下： (1)     關閉中間活門，在左方容器加入冰，蓋上玻璃蓋，在右方加入水，蓋上玻璃蓋。 (2)     以控溫系統將溫度調至t1，打開活門。從圖1可看出，在此一溫度下，水的蒸氣壓大於冰的蒸氣壓，水將以蒸氣的方式移至左側變成冰，最後只剩固、氣兩相，無法達到固液共存的狀態，因此t1非凝固點。 (3)     將控溫系統溫度調至t3，打開活門。從圖1可看出，在此一溫度下，冰的蒸氣壓大於水的蒸氣壓，冰將以蒸氣的方式移至左側變成水，最後只剩液、氣兩相，也無法達到固液共存的狀態，因此t3也非凝固點。 (4)     只有將控溫系統溫度調至t2，打開活門後，因為冰的蒸氣壓等於水的蒸氣壓，冰與水達到平衡狀態，也就是達到固液共存的狀態，所以t2為凝固點。 圖2：凝固點測定儀器示意圖 （圖片來源：新細說化學，薛勝雄編著，建弘出版社） n  為何溶液凝固點的會下降？ 1.        圖3為溶液的蒸氣壓下降曲線圖。取出圖2右方容器上方的玻璃蓋，加入某溶質，例如葡萄糖，則右方容器內所存在的是葡萄糖溶液，在前面的章節已經學過：「溶液的蒸氣壓下降」，因此溶液的蒸氣壓從OA向下移至如圖3之紅色曲線。 圖3：溶液的蒸氣壓下降 2.        若控溫系統溫度為t2，從圖3可看出，在此溫度下，冰的蒸氣壓大於溶液的蒸氣壓。 (1)     打開活門，冰將以蒸氣的方式移至右側變成水，最後只剩液、氣兩相，無法達到固液共存的狀態，所以t2已經不是凝固點。 (2)     為使冰的蒸氣壓等於水的蒸氣壓，也就是達成固液共存的狀態，必須將溫度降為t2’。 (3)     t2’< t2，可證實溶液的凝固點確實下降了。 n  為何溶液的沸點上升與溶質種類有關？而凝固點下降與溶質種類無關？ 一、  溶液的沸點上升與溶質種類的關係 1.        […]