離子的本性對溶液導電能力的影響
離子的本性對溶液導電能力的影響
胡曉紅1羅敏2張馳3
1. 中國人民大學附屬中學朝陽學校 北京 100028
2. 北京市第十二中學 北京 100071
3. 北京工業大學 北京 100124
摘要
藉助電導率感測器探究向硫酸氫鈉溶液中滴入氫氧化鋇溶液時溶液導電能力的變化，並對實驗結果進行理論分析與解釋：電解質溶液的導電能力由離子本性決定，受離子濃度等影響。
關鍵詞
離子本性；電解質；導電能力
1
問題的提出
2016年高考理科綜合（北京卷）第11題中出現向Ba(OH)2溶液中逐滴滴加NaHSO4溶液時溶液導電能力的變化曲線，如圖1曲線②所示。
圖1 溶液導電能力變化
顯然，在滴入NaHSO4溶液的過程中，溶液中發生以下2步反應：①Ba (OH)2+ NaHSO4= BaSO4+ H2O + NaOH；② NaOH + NaHSO4= Na2SO4+ H2O。不難解釋，由方程式①可知第1階段中,不僅溶液中離子的數量減少，並且隨著NaHSO4溶液的加入，溶液的體積反而增大，造成的一致結果是溶液中離子濃度極大下降，出現了溶液的導電能力自起點到b點一直呈下降趨勢，與實際相符。但是綜合分析第2階段的反應時，卻發現b點到d點似乎有些不正常。根據化學方程式①可知，b點到d點溶液成分的變化相當於向NaOH溶液中滴加NaHSO4溶液至恰好反應，此時Vd=2Vb（Vd,Vb為到達d,b點時所用NaHSO4溶液的體積，下同），若選b和d 2點進行比較，則：
b點：
c(Na+)b= c(NaHSO4) · Vb/[Vb+ V(Ba(OH)2)]；
c(OH-)b= c(NaHSO4) · Vb/[Vb+ V(Ba(OH)2)]。
d點：
c(Na+)d= c(NaHSO4) · 2Vb/ [2Vb+ V(Ba(OH)2)] = c(NaHSO4) · Vb/ [Vb+ 1/2 V(Ba(OH)2)]；
c(SO42-)d = c(NaHSO4)· Vb/ [2Vb+ V(Ba(OH)2)]。
由上述數據可知：c(Na+)b> c(Na+)d，從b點到d點,c(Na+)是增大的，故溶液中正電荷濃度也是增大的；由於c(SO42-)d> 1/2c(OH-)b，SO42-所帶的電荷是OH-的2倍，故溶液中負電荷濃度也是增大的。因此，從b點到d點過程中,溶液的電荷濃度一直是增大的，那麼溶液中的導電能力是不是應該呈上升趨勢呢？是該題的圖像有誤嗎？帶著疑惑，我們做了相關的研究。
2
實驗探究
2.1 模擬實驗
為了弄清真相，藉助電導率感測器對第11題進行實驗模擬。（說明：電導率是衡量電解質溶液導電能力大小的物理量，所以電導率等同導電能力）
實驗1 監測向Ba(OH)2溶液中滴入NaHSO4溶液時溶液電導率的變化
實驗用品:計算機、電導率感測器、滴數感測器、數據採集器、磁力攪拌器、量筒（25mL）、燒杯（100 mL）、濾紙、0.02mol/L NaHSO4溶液、0.015 mol/L Ba(OH)2溶液、0.01 mol/L NaOH溶液、0.01 mol/L Na2SO4溶液、蒸餾水。
實驗裝置：如圖2所示。
圖2 實驗裝置
實驗過程：將電導率感測器、滴數感測器、數據採集器、計算機等安裝連接，如圖2所示；取25 mL BaOH)2溶液於燒杯中，滴定針筒取約60 mL NaHSO4溶液，調節合適的滴速，開啟磁力攪拌器，採集數據，得到電導率與NaHSO4溶液體積的變化曲線，如圖3曲線①所示。
圖3 溶液電導率的變化
實驗結論：電導率是溶液導電能力大小的表徵，實驗曲線與該考題中的圖像一致，考題呈現的圖像符合客觀事實。
2.2 對比研究
考慮到b點到d點的溶液是一個複雜的混合體系，是不是有其他未知的因素對溶液的導電能力產生影響呢？於是，我們又進行實驗2，即監測NaOH溶液中滴入NaHSO4溶液時溶液電導率的變化。考慮到實驗1中b點NaOH溶液濃度小於0.01 mol/L，所以應該選擇等於或大於b點NaOH溶液濃度進行對比實驗才具有說服力，本實驗選擇0.01 mol/L NaOH溶液。
實驗過程：將Ba(OH)2溶液換成NaOH溶液重複上述實驗步驟得到如圖3曲線②。
實驗結論：對比圖3中曲線②與曲線①中bd段曲線，發現這2段曲線變化趨勢高度相似，由此可知BaSO4沉澱等對溶液中的導電能力幾乎沒有影響。
基於實驗2的結果分析，推測0.01 mol/L NaOH溶液的導電能力應該大於0.01 mol/L Na2SO4溶液的導電能力。於是，我們又進行實驗3，即測定0.01 mol/L Na2SO4溶液的電導率（實驗過程同上述實驗2，將溶液均更換為Na2SO4溶液即可），所得數據如表1所示：
表1 NaOH溶液與Na2SO4溶液的導電能力比較
實驗結果與推測一致：等濃度的NaOH溶液的導電能力強於Na2SO4溶液的導電能力。至此，可以完全確認2016年高考理科綜合（北京卷）第11題圖像所呈現的與事實一致。那麼，為什麼無論是離子濃度還是電荷濃度都較小的NaOH溶液導電能力卻更大呢？
參考文獻
[1] 杜鳳沛，高丕英.簡明物理化學.北京：高等教育出版社，2005：203-207
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