在配製溶液的過程中 常常會有一個問題 體積到底有沒有加成性？ 同時 如果把兩種不同的溶劑混在一起 要是密度不同 可以直接混合嗎？ 在疫情期間 有些人會將購買95%的酒精 配製成75%酒精作為消毒使用 我們今天就來做做這個實驗 利用95%酒精與水來探討溶液體積的加成性 這個實驗是以水與酒精混合為例 來說明非理想溶液形成時 體積不具加成性和溫度變化的現象 溶質與溶劑混合形成理想溶液的過程中 既不放熱、也不吸熱 溶液體積恰等於溶質體積和溶劑體積之總和 但現實中 大多數的溶液都不符合理想溶液的定義 當溶質分子結構 化學性質與溶劑分子愈接近時 混合後的溶液性質就與理想溶液愈相近 一般來說 當溶液愈稀薄 溶質分子結構差異所造成的影響是可忽略的 因此愈稀薄的溶液互相混合時 就愈接近理想溶液的行為 各式飲用酒和消毒酒精 是日常生活中常見的物質 其成分所含之乙醇與水都具有相似的結構 稀釋排放不會造成環境汙染 本實驗藉由乙醇與水的混合過程 經由不同的比例調配 討論在何種混合條件下 溶液可最接近理想溶液狀態 在這個實驗裡 我們需要的實驗器材有 容量瓶、電子溫度計、酒精 蒸餾水、漏斗、滴管、直尺 實驗中會改變水與酒精濃度 進行數據的採集與分析 最後製作出科學圖表 現在就讓我們來看看實驗要怎麼做吧！ 步驟一 測量實驗用酒精的溫度 並以容量瓶甲仔細取25毫升酒精兩次 分別倒入50毫升容量瓶中 適度地搖晃使其混合均勻 仔細觀察 並以直尺測量此兩次混合液的液面高 與容量瓶標線的差距 並測量混合後溫度 計算溫度改變量 量測完畢後清空容量瓶 步驟二 依上述步驟以容量瓶乙仔細量取蒸餾水兩次 分別倒入50毫升的容量瓶中 適度地搖晃使其混合均勻 仔細觀察此混合液混合前後體積改變量 並計算溫度改變量 步驟三 以容量瓶甲仔細量取25毫升的酒精 並測量其溫度 以容量瓶乙仔細量取25毫升的水 並測量其溫度 再將兩者倒入50毫升的容量瓶中 適度地搖晃使其混合均勻 測量混合溶液的溫度 並仔細測量液面與容量瓶上標線的距離 接著計算兩種溶劑混合後溫度的改變量 觀察完畢後 將此酒精水溶液倒至250毫升燒杯中收集 此混合溶液為95%酒精溶液 與蒸餾水等體積混合 其體積百分濃度約為48% 於此實驗中 我們以液面至標線的距離代表體積改變量 以水與95%酒精溫度的平均值 作為初始溫度 以混合溶液的溫度扣掉初始溫度 作為混合溶液的溫度差 重覆上述步驟三次 並紀錄下實驗結果於表格中 其結果如畫面所示 接著再以容量瓶 精確量取步驟三 體積百分比為48%的酒精溶液25毫升 並測量其溫度 與95%酒精25毫升 並測量其溫度 參考「步驟三」的操作方法進行混合 測量紀錄下混合溶液的溫度 與混合溶液液面與標線的距離 此混合溶液為48%酒精溶液 與95%酒精溶液等體積混合 其體積百分濃度約為71% 於此實驗中 我們以液面至標線的距離代表體積改變量 以48%與95%酒精溫度的平均值 作為初始溫度 以混合溶液的溫度扣掉初始溫度 作為混合溶液的溫度差 重覆上述步驟三次 並紀錄下實驗結果於表格中 其結果如畫面所示 由實驗數據可以看出 水與95%酒精混合後的48%酒精溶液 液面與標線的距離為-17.3mm 而95%酒精與48%酒精混合後的71%酒精 液面與標線的距離為-5.6mm 濃度愈接近 體積的改變量愈少 而由混合液體溫度改變量來看 水與95%酒精混合後的酒精溶液 溫度上升了5.0度 但95%與48%混合的酒精溶液溫度 僅上升了0.8度 也就是濃度越接近 溫度改變量也會越少 由本實驗結果我們可以歸納出 水和酒精混合時 總體積不等於兩溶液體積之和 體積不具加成性 兩種液體濃度愈靠近的情況下 混合時的總體積愈趨近於加成性 且溫度的變化量也愈小 讓我們來回顧一下實驗重點吧！ 水和酒精混合形成溶液時 為非理想溶液 水與酒精分子間的引力會增強 混合時 為放熱反應 溶液的溫度上升 混合時 溶液體積會小於水與酒精的體積總合 當我們知道濃度相差太大時 兩個溶液的性質就會不同 因此混合時 體積沒有加成性 那試著討論這個例子吧！ 首先我們計算出 50 mL 98%濃硫酸的質量為多少？ 依據密度的定義可知 98%硫酸水溶液的質量為91.5克 再來 我們用相同的方法計算出 100 mL 49%硫酸水溶液質量為138克 所以我們要精確量取46.5克的蒸餾水 大約為46.5毫升 並非50毫升喔 體積變化百分比為-3.5% 由此例子可知 質量會有加成性 但是體積不會有加成性 依照相同的方法計算 可知須加入49.5克的水 大約為49.5毫升 體積變化百分比為-0.50% 由上述兩個例子可知 質量必須遵守質量守恆 故混合溶液的質量一定具有加成性 體積不具有加成性 但愈稀薄的溶液 溶質與溶劑之體積愈接近有加成性 此亦符合理想溶液的狀況 那是否有體積具加成性的例子呢？ 一般進行化學實驗所使用濃度較低 且溶劑相同的兩溶液進行混合時 體積是可以看作具有加成性的 例如 我們用0.1M的氫氧化鈉溶液 與0.1M的鹽酸溶液 透過不同體積進行混合實驗紀錄 每組重複做三次後取平均值 其結果如畫面所示 一般稀薄溶液混合 可視為體積具有加成性 其誤差很小 所以我們進行各類水溶液反應之化學計量 例如酸鹼中和、沉澱反應和氧化還原反應等 通常反應後的溶液總體積 可視同為反應前各水溶液的體積相加總合 同學們 下次當你要調配溶液時 是否能掌握到重點了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案 我們下次見