问题

这道关于盐融化冰的初中考题中是否还需要考察同离子效应?

回答
我们来聊聊这道关于盐融化冰的初中考题,看看是不是真的有必要牵扯出“同离子效应”这个概念。

首先,咱们得明白,初中阶段的化学教学,它的核心在于建立学生对基本化学概念的理解,以及培养他们运用这些概念去解释简单现象的能力。这时候,我们不会追求知识的绝对深度,而是更看重广度和基础。

现在,回到盐融化冰这个事儿。这绝对是一个经典的初中化学现象,几乎所有的初中教材都会涉及到。它的主要考点,通常集中在:

降低凝固点/熔点: 这是最核心的知识点。学生需要知道,当盐溶解在水中时,会改变水的凝固点,使得水的凝固点(也就是冰融化的温度)低于0℃。这是物理化学中的一个重要现象,被称为“依数性”,它跟溶液中溶质的粒子数有关。
溶解过程中的能量变化: 盐溶解于水,尤其是某些盐,会吸收热量,导致周围温度下降,从而加速冰的融化。这涉及到溶解热的概念,虽然初中可能不会深入讲,但“吸热”这个词汇是会用到的。
化学式和物质分类: 比如NaCl是离子化合物,溶解后电离成Na⁺和Cl⁻离子,增加了水中粒子的总数。

那“同离子效应”是怎么回事呢?

同离子效应,简单来说,就是在一种电解质溶液中,加入与该电解质共用相同离子的另一种强电解质,会使原来弱电解质的电离度降低(如果弱电解质是电离出一对离子,而加入的强电解质也提供其中一种离子)或者使难溶电解质的溶解度降低(如果加入的强电解质和难溶电解质共用离子)。

放在盐融化冰这个语境里,同离子效应会出现吗?

在绝大多数初中教材关于盐融化冰的讨论中,所使用的盐通常是氯化钠(NaCl)或者氯化钙(CaCl₂)。

对于NaCl: 它溶解在水中,电离成Na⁺和Cl⁻。如果我们要讨论同离子效应,就得有一个“原有的”含有Na⁺或Cl⁻的弱电解质,或者一个含有Na⁺或Cl⁻的难溶电解质。在纯净的水里,并没有这些“参照物”。所以,除非老师刻意在考题里设置一个情景,例如“如果在已经加了NaCl的水溶液里,再加入少量氨水(NH₃·H₂O,一个弱电解质),判断氨水的电离度会如何变化?”,否则,在纯粹讨论“NaCl融化冰”的现象时,同离子效应并没有直接体现。

对于CaCl₂: 溶解后电离成Ca²⁺和2Cl⁻。同理,在没有其他含有Ca²⁺或Cl⁻的物质存在的情况下,同离子效应也不会成为讨论的核心。

那么,有没有可能在某些特殊设计下考察同离子效应?

理论上,是有的。比如,如果题目设定了一个场景:“某路段的冰面结冰非常牢固,普通食盐(NaCl)效果不佳。某人尝试用一种含有钠离子(Na⁺)的化合物来处理,或者用含有氯离子(Cl⁻)的化合物来处理,并解释为什么这样处理可能会有一定效果(或者没有效果)。”

在这种情况下,如果学生对同离子效应有了解,他们可能会联想到,如果冰本身或融化过程中存在某种与NaCl共用离子的物质,加入NaCl可能会影响其溶解度或电离平衡。

但是,我们得回到“初中考题”这个定位。

初中化学的教学目标是夯实基础,而不是追求“知识的全覆盖”或者“概念的深度挖掘”。

如果题目只是问“为什么盐能融化冰?” 那么,核心答案是“降低了水的凝固点”。解释其原理时,说到盐电离成离子,增加了粒子数,就足以解释“依数性”了。
如果题目涉及到“溶解吸热”,那也是一个重要的考点,说明融化过程需要能量。
如果想要考察同离子效应,题目就必须非常明确地设置一个“参照物”,让学生能够识别出“同离子”的存在,并且理解它对某个平衡(溶解平衡或电离平衡)产生的影响。

结论:

在绝大多数情况下,一道合格的、聚焦于“盐融化冰”这一基本物理化学现象的初中考题,是不需要考察同离子效应的。 它的主要考点应该集中在降低凝固点(依数性)以及可能的吸热溶解过程。

如果一道初中题,以“盐融化冰”为背景,却需要学生运用同离子效应来解答,那么这道题很可能超出了初中的教学范围,或者说,它的出题意图不够清晰,容易让学生感到困惑。要么是题干设置得过于复杂,要么是想用一个相对“冷门”的知识点去“刁难”学生,这通常不是一个好的出题方式。

除非,出题老师想在这个非常基础的现象上,进行一次“拓展性”的考察,并且提前在教学中明确讲授过同离子效应,以及它在实际生活中的某个不那么主流但确实存在的应用场景。 但即便是这样,为了清晰和避免歧义,题干也应该提供足够的线索,比如明确指出溶液中已有的离子成分,并引导学生去思考“影响”本身。

所以,总的来说,对于一道标准的初中考题,围绕“盐融化冰”来考察同离子效应,要么是多余的,要么是出题不当。 核心还是应该放在“降低凝固点”这个更容易理解和在初中阶段有充分讲解的知识点上。

网友意见

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Abstract:

  1. 本题不会因为同离子效应而沉淀,因为是溶液与溶液的混合导致氯离子浓度基本不变而钠离子浓度降低。
  2. 哪怕产生了沉淀也不会影响融冰,因为固体盐也能融化冰的。而且这样融冰可以急剧降温,理论上最低可能到-80 °C,但是实际温度是由盐和水的最低共熔点所决定的。


什么是同离子效应

所谓同离子效应,就是两种含有相同离子的盐溶于水时,它们的溶解度都会降低。类似的情形也可以发生在弱酸或者弱碱的解离。下面我就用定量的例子来讨论一下:

比如溴化银 AgBr 的 Ksp 是 ,意思就是当仅仅只有AgBr溶于水时,其浓度计算方式为

其中 表示阴离子的浓度 (这个也是Ksp的定义式)

而因为只有AgBr,所以

我们继续计算,就有

所以计算得到


那么现在,我们在溶液中加入0.01 mol/L 的NaBr溶液后,再来计算AgBr的溶解度。此时由于有额外的Br-离子存在, ,并且AgBr的溶解度应该是由Ag+浓度决定的。

实际计算方法应该是如下的

s s+0.01 其中s就是溶解度

显然 ,所以我们可以认为Br-浓度就是0.01 mol/L

那么此时依然有

所以

由此可见,溶解度相较于之前远远降低。


为何此题同离子效应不会导致固体析出

在此题中,虽然也有具有相同离子的盐混合,但是由于是溶液混合,根据简单的计算你会发现,并不会使得氯化钠析出的!

比如等体积的 NaCl 和 CaCl2 混合时,相当于两者的初始浓度都会减半的。我举一个简单的例子,假如 1 mol/L 的 NaCl 和 0.5 mol/L 的 CaCl2 中的氯离子浓度都是 1 mol/L,而当将它们等体积混合后,氯离子的浓度依然大约是 1 mol/L. 而此时钠离子浓度基本减半了,所以是不会析出氯化钠固体的。如果你用本题中的数据自己计算,也会得到一样的结论。

但是往氯化钠溶液中通入氯化氢就不同了——这个过程不会引入溶剂,而基本只会单纯增加氯离子浓度。


盐融冰的原理

具体的可以见我的这个回答

知道一种水溶液的凝固点,怎么求它的沸点?

所谓盐融化冰,所利用的就是溶液的依数性性质——盐会降低冰的熔点。另外,利用这种方法,还可以获得低温:因为冰融化成水会大量吸热,从而导致温度的降低。比如氯化钠最低可以将温度降至~-20 °C,而氯化钙能降低至~-55 °C

实际上,理论上最低的温度大约是 -80 °C. 计算方法是,假设冰融化吸收的热全部用于降低水的温度。冰的融化热是 334 kJ/kg,而水的热容是 4.2 kJ/(kg·°C),所以可以计算得到理论上能降到的最低温度是~-80 °C.

但是,当盐浓度很高时,就偏离了一开始所假设的理想情况了。最终盐所能降低到的最低温度取决于该盐与水的最低共熔点。比如氯化钠是-21.1 °C,氯化钙大约是-55 °C.

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