2017年3月23日 星期四

電解質解離說

一直以來,這段課程都是進行一些物質溶於水之後的導電度測試,觀察到有些物質溶解會導電,有些不會。但是這些導電的情況,又如何能讓阿瑞尼士提出解離說呢?阿瑞尼士怎麼去想到水中有離子的呢?

最近跟LIS還有許多的理化老師,就這個問題討論很久。大概有理出一點點輪廓了,就在這邊做個記錄。




阿瑞尼士在1884年的博士論文提出了解離說。這部份可以看維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/电解质


他向烏普薩拉大學提交了一篇長約150頁的博士畢業論文,首次提出了「固體結晶鹽在溶解時會分解成成對的帶電粒子」這一觀點,並通過離子的概念解釋了電解質溶液的導電機理。他因此獲得了1903年的諾貝爾化學獎。

好,那問題是,他怎麼想到這件事情的呢?看一下後面這一段:

鹽在形成溶液時會分解成一種帶電粒子,這種粒子在很多年前便被麥可·法拉第命名為「離子」。麥可·法拉第認為離子是在電解時產生的,但阿瑞尼士認為即使在沒有電流的情況下鹽溶液也含有離子,所以溶液中的化學反應便是離子之間的反應 

OK..也就是說,有些物質溶於水會導電,有些不會,這件事情在之前的法拉第,就已經發現提出了,法拉第也提出了「離子」這個命名。只不過法拉第認為,鹽在形成溶液的時候,需要外加電壓,才會形成帶電的離子。阿瑞尼士則是認為光是溶解在水中,就會解離了。

好,那他是怎麼想到這件事情的呢?看一下這一篇文章,在高瞻自然科學教學資源平台裡,有一篇提到這件事情

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4900

第二段提到

阿瑞尼斯(Svante August Arrhenius, 1859-1927)在致力於分析測量多種物質水溶液濃度與導電度之間的關係後發現,酸、鹼、鹽等物質在越稀薄的溶液中,其莫耳導電度(molar conductivity)就越好;而強酸、強鹼的導電度,又比相同濃度的弱酸、弱鹼來得好,於是他在1884年所撰寫的博士論文中,大膽提出:「強酸、強鹼、及鹽類分子溶於水,會『裂開(split up)』,以陰離子、與陽離子存在於水中。
好,意思是,他看到了物質水溶液的濃度和導電度並不成正比。越稀薄的情況下,莫耳導電度越好。意思是,當濃度變成兩倍的時候,導電度會變高,但是卻不到兩倍。莫耳導電度的意思是,每莫耳濃度的導電程度。

假如濃度變兩倍,導電度也變成兩倍,那莫耳導電度就不會變;如果濃度變兩倍,導電度變成1.5倍,那莫耳導電度就變成0.75倍。


接下來是我的腦補
好,看起來依照法拉第的觀點,物質溶解在水中之後,通通變成水溶液狀態了喔,濃度如果是兩倍,那通電之後,電造成溶質解離,看起來也應該變成兩倍,那為什麼莫耳導電度卻下降了呢?


好,總之阿瑞尼士應該就是因為觀察到這個實驗結果,對法拉第的觀點產生了懷疑,然後提出自己的觀點。但就如同前面高瞻的文章說的:他大膽提出....

也就是光就莫耳導電度這個結果,力道其實不太夠。何況他的觀點,一下子要挑戰到法拉第還有道耳吞的觀點,這兩位在當時都是不可撼動的神主牌呢。所以他的博士論文就只能「勉強及格」通過了。


好,那後來呢?這篇博士論文
被德國化學家奧士華 (Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853-1932) 與荷蘭物理有機化學家凡特何夫(Jacobus Henricus van't Hoff, 1852-1911)看到了,得到他們兩位的青睞

為什麼這兩位高手高高手,會這麼欣賞阿瑞尼士的論文呢?因為阿瑞尼士的論文恰好幫這兩位正在研究的現象,卡關的那個部分,提供了很好的理論基礎。那是什麼呢?就是「依數性質」。依數性質是說,像一些物質溶於水,會讓滲透壓、溶點、沸點產生變化。這些變化的量,跟物質的性質無關,而只跟物質的多寡有關。凡特荷夫是做滲透壓的實驗,奧士華則是做熔沸點變化的實驗

好,當時有一個應該讓他們很抓狂的現象是,對於像是葡萄糖這種物質,溶於水的時候,依數性質很乖,濃度和滲透壓、溶點沸點的變化成正比。但是如果溶解的是食鹽、醋這種東西的時候,依數性就很不乖了,情況應該就跟前面所說,莫耳導電度的變化類似。

他們一看到阿瑞尼士的說法,立刻就想到,如果阿瑞尼士對於物質溶於水解離的說法正確(包含電解質溶於水會解離,還有強弱電解質解離度不同的說法),那就可以解釋強弱電解質的依數性和非電解質不同的原因了。依數性還是正確的,只要我們能夠知道解離離子的數量,套用下去就可以看到了。

例如,相同濃度下的強電解質,例如食鹽的依數性,就是非電解質,例如糖的兩倍。弱電解質,例如醋酸,就不到兩倍

於是阿瑞尼士就和奧士華和凡特何夫繼續進行研究,將他的解離說完備。並且等到湯木生發現電子之後,幫他解決掉一個原子不可分割的神主牌,讓他的理論更加穩固(待查)最後獲得1903年的諾貝爾獎

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