谈探究探究用凝固办法分离酒精和水实验

1 考题分析
2009年南宁市的一道中考题：小明去参观酒厂时源于：论文 范文www.618jyw.com
，看到酒厂用蒸馏的方法从酒精和水的混合液中分离出酒精，这是利用了酒精和水的不同。他想酒精的凝固点是-117℃，水的凝固点是0℃，于是想用凝固的方法将酒精和水分离开。他将混合液放入电冰箱的冷冻室（温度可达-5℃），经过相当长的时间后，小明从冷冻室取出混合液时，却发现水和酒精并没有分离出来。他想：为什么水和酒精没有分离出来？针对小明提出的问题，请你做出一个合理的猜想： 。
此题既联系了实际，又有创意，不过此题也很容易导致学生误以为可以利用将混合液加热至酒精的沸点的办法分离出酒精，原因是当混合液达到一定温度时，酒精沸腾而水不沸腾。倘若如此，那一次蒸馏即可得到高纯度的酒精。实际显然不是这样的。笔者曾做过实验，给酒精和水的混合液加热，加至酒精的沸点时混合液并不会沸腾，且混合液中水的质量分数越大，沸腾的温度就越高，但低于相同情况下水的沸点；混合液中酒精的质量分数越大，沸腾的温度就越低，但高于相同情况下酒精的沸点。并且与水沸腾过程中温度保持不变不同，酒精和水的混合物沸腾过程中温度一直在上升（这是由于相同情况下酒精汽化比水快，这就导致混合液中水的质量分数越来越高）。
2 引发思考
从沸腾的实质来看，一次蒸馏并不可能得到高纯度的酒精（事实上，蒸馏冷却后得到的只是度数高一些的酒）。这是因为不论是发生在混合液表面还是发生在混合液内部的汽化，都可简单看成是一种扩散过程。只要处于液气分界面处的液体分子的能量足够大，不论是水分子还是酒精分子，都能挣脱周围分子的束缚跑到混合气中。只是由于相对于水而言，酒精更易汽化，故而蒸馏酒的度数要高一些。因此，第一空改为“这是因为在相同情况下，酒精比水更易 ”较好。
利用汽化可以浓缩酒精，利用凝固可不可以呢？笔者把医用酒精简单地配制为三种浓度（浓度都不超过15%）的酒精放入冰箱的冷冻室内。浓度低的很快就部分结冰了。把冰块捞起来，用水冲一下放在杯中熔化，发现熔化后得到的液体几乎闻不到酒味。这表明利用凝固确实可以浓缩酒精。放了一夜后，三瓶酒精看起来都完全结冰了。用打毛衣的针捅冰块，酒精浓度高的冰块很松散，捅两下瓶内就有很多液态物质了。倒出来闻，酒味很重。浓度低的则很硬，针很难捅进去。放一段时间后，再捅，发现松软许多。倒出瓶内的液体，闻一下，也有比较重的酒味。完全熔化后再闻，酒味就淡了很多。为什么会这样呢？
3 实验原理解析
原来在一定压强下，液态的晶体物质，当温度略微低于其熔点时，微粒便将规则地排列成稳定的结构。开始是少数微粒按一定的规律排列起来，形成所谓的晶核，而后围绕这些晶核成长为一个个晶粒。因此，凝固过程就是产生晶核和晶核生长的过程，而且这两种过程是同时进行的。因为冰是单矿岩，不能和它物共处（也就是说水分子不能和其它微粒一起排列成稳定的结构）。这导致水在结晶过程中，会自动排除杂质。因此，混合液在冻结时产生的冰晶，是不含酒精的。过滤掉冰晶，即可得浓度较高的酒精。（即使酒精分子与水分子能一起排列成稳定结构，由于二者结构上的差异，也会导致与汽化相类似的不同。由此不同，也应当可以逐步浓缩酒精。）又因为随着酒精浓度越来越高，混合液的凝固温度也会越来越低，所以想通过此法获取纯酒精还是很困难的（控制温度有难度，温度降得稍快稍低，酒精可能会凝固）。
另外，与海水结冰时会使一些盐分以“盐泡”的方式保存在冰晶之间，冰晶外壁也会粘附上一些盐分相似，酒精与水的混合液在凝固的过程中，也有一些酒精水以“酒精泡”的方式，保存在冰晶之间，冰晶外壁也会粘附上一些酒精。酒精浓度高的冰块之所以松散，原因就在于冰块内有大量的“酒精泡”。酒精浓度低的冰块刚开始结冰时冰块也有大量比较大的“酒精泡”，后来这些比较大的“酒精泡”慢慢变小——部分酒精水随着温度降低凝固了。放一段时间的之所以也会变得比较松散，原因就在于包在其间大量的小“酒精泡”长大了——周围的冰悄悄地化为水溶进去了。由于还有部分的水没有融化，故开始倒出的液体酒味很浓。从另一个角度来看，用此法从酒精与水的混合物中获取纯净水也是有一定难度的。
4 小结
综上所述，与利用汽化分离酒精和水相比，利用凝固分离酒精和水从理论上讲效果会更好。因为汽化时，酒精和水会同时汽化，而凝固时由于微粒要按一定的规律（这个规律显然是由化学键决定的）排列成为稳定的结构，进而导致酒精不会与水同时凝固。不过实际操作起来，显然前者的优势更明显。但若换成其它的混合物，也许采用凝固的方法分离提纯更理想。