炎炎夏日中 想在家製作冰涼的水果冰沙和冰塊 如果把果汁和水 一起放進0℃的冷凍庫 兩者會同時結冰嗎？ 答案是沒辦法 我們知道水的凝固點是0℃ 因此0℃時水會開始結冰 但果汁的凝固點低於0℃ 因此在0℃時 果汁沒辦法結成固態的水果冰沙 同學 還記得之前學過的依數性質嗎？ 凝固點下降就是一種依數性質喔! 也就是說 同樣以水為溶劑的水溶液 只要溶質濃度越高 凝固點也會下降越多 與溶質的種類無關 所以剛剛提到的冷凍果汁 因為含有許多溶質 因此凝固點會降到0℃以下 而且果汁越濃 就會需要把冷凍庫 調到更低溫才能結冰喔! 綜合上面所提到的內容 如果可以做出一個溫度很低的環境 就可以測出果汁的凝固點 而凝固點越低 代表果汁的濃度就越高 而18世紀的科學家 就利用了這樣的想法 做出了精密度 可到達小數點下四位的溫度計 來測量凝固點 進而求出水溶液的濃度 和未知物的分子量 科學家是怎麼做到的呢？ 就讓我們動手做實驗來尋找答案吧! 凝固點下降的現象 實驗的目標有： 1. 觀察凝固點下降的現象 和溫度變化的情形 2. 可以透過數據分析 求出溶質的分子量 要做凝固點下降的實驗 我們需要的器材有： 電子天平、溫度計、攪拌器、碼錶、 大試管、中試管、量筒、燒杯、藥匙 我們需要的藥品有： 純水適量、尿素3 g、 冰塊 300 g、鹽100 g 接下來第一步 要先準備低溫環境 才能測出溶液的凝固點 大家覺得0℃的冰塊 和溫度可以達到-20℃的冰鹽浴 哪一個比較好呢？ 因為冰塊最低溫只能到0℃ 而加鹽後的冰水浴能降到-20℃ 想讓水溶液凝固的話 必須讓溫度低於0℃才行 因此在這裡 我們會把冰塊和食鹽以3：1混合 做成冷劑 確保水和水溶液都能完全結冰 接下來我們要選擇一個適當的溶質 你覺得尿素和葡萄糖 哪一個會是比較好的選擇呢？ 我們知道 尿素的莫耳質量為60 g 而葡萄糖的莫耳質量則是180 g 若我們把尿素換成葡萄糖 同樣3 g的溶質 尿素有0.05 mol 而葡萄糖只有0.017 mol 加入等量水時 葡萄糖在水中的體積莫耳濃度太低 很難觀察到凝固點下降的現象 因此在這裡 我們會採用分子量較小的尿素 來當作溶質 以便觀察到較明顯的凝固點下降現象 接下來就可以測量 尿素水溶液的凝固點了 那是否只測 尿素水溶液的凝固點就夠了呢？ 雖然這個實驗主要是要 測量尿素水溶液的凝固點下降量 但是因為使用不同的溫度計 可能會產生誤差 所以在這個實驗中 我們要使用同一支溫度計 先找出溶劑的凝固點 也就是水的凝固點 再去測量尿素水溶液的凝固點 最後才能比較凝固點下降了多少 接著就可以來進行實驗了 將25 mL的水倒入中試管內 再放入溫度計和攪拌器 接著將中試管放入 裝在冰鹽浴冷劑的大試管中 之所以將中試管放入大試管 而不是直接放進冷劑中 目的是為了形成空氣夾層 幫助液體均勻降溫 可以避免產生過冷現象 中試管放入後就開始計時 一邊使用攪拌器不停的攪拌 一邊手持溫度計 每30秒就記錄一次溫度 直到溫度不再變化 此時 試管中的水開始結冰 再持續至少3分鐘 將所得的數據以溫度為縱軸 時間為橫軸 做出液溫與時間關係圖 接下來 我們要將水換成尿素水溶液 開始測量尿素水溶液的凝固點 在剛才使用的中試管內 加入3 g的尿素 與25 mL的水混合並完全溶解 按照與剛剛相同的實驗步驟 持續攪拌並每隔30秒記錄一次溫度 直到觀察到結冰現象時 再繼續測量溫度變化至少3分鐘 接著和水的數據相同 做成溫度對時間的變化圖 實驗完成後就可進行結果與討論了 比較水和尿素水溶液的 溫度對時間的數據圖 即可求出尿素的分子量 畫好的這些溫度時間關係圖 要如何從中找出凝固點呢？ 我們只要將溫度下降的趨勢線 和正在相變的趨勢線相交 就能找到開始凝固的溫度 也就是該溶液的凝固點喔 透過圖表 我們可以得到 水的凝固點是：0.0℃ 尿素水溶液的凝固點是： -3.8℃ 凝固點下降了：3.8℃ 根據凝固點下降的公式 ΔTf = Kf‧Cm 假設溶液中 分子量為M的溶質有a g 溶劑有b g 我們可以將ΔTf = Kf‧Cm 改寫成：ΔTf=Kf‧ 溶劑水的Kf為1.86 °C/m 本次實驗中 尿素水溶液溶質有3 g 溶劑水有25 mL 也就是25 g 透過此公式 可以算出尿素的分子量是：58.7 g/mol 與理論值60 g/mol 比較 誤差約為-2.2% 這裡再補充說明一下 步驟中提到的過冷現象是什麼？ 「過冷現象」是指液體降到 低於其凝固點的溫度 卻沒有結冰的現象 這是一種不穩定狀態 在通過外界擾動等作用下會迅速凝固 並使溫度回升 上述現象在溫度和時間的關係圖上 就會出現低谷 如果做出來的圖 出現了過冷現象的低谷 判斷凝固點的方法 是將後半段溫度變化較緩的趨勢線 與前半段溫度下降的趨勢線相交 就可以找出該液體的凝固點囉 如果發生過冷現象 可能會影響凝固點的判斷 所以在實驗時我們需要攪拌 以避免過冷現象的發生喔 1. 由實驗證明 溶液的凝固點會比純溶劑還要低 且溶質濃度越高 凝固點下降越多 2. 透過凝固點下降實驗 所做出來的溫度時間圖 我們可以求出溶液的凝固點 3. 透過數據分析，可以利用 ΔTf= Kf‧ 這個算式 求出溶質的分子量 同學 我們學會了測量凝固點的方法 想想看： 1.這個實驗還有其他誤差來源嗎？ 可以怎麼改善？ 2. 能用其他溶質取代尿素嗎？ 有沒有比尿素 更適合做這個實驗觀察的溶質呢？ 歡迎在影片下方留言區 告訴我們你的答案 我們下次見