关键概念
化学
解决方案
混溶
极性
溶解度
简介
你可能知道有些液体，比如油和水，是不能混合在一起的。如果你把它们倒进同一个容器，它们会形成单独的液体层，一层叠一层。其他液体，例如外用酒精和水，可以相互混合。但你知道吗，一旦这两种液体混合，你可以把它们再次分离成两个不同的层?你怎么能这么做?答案可能会让你大吃一惊——盐!在这个活动中，你会发现这是如何工作的。
背景
当两种液体可以混合在一起时，它们是“混溶的”——它们形成了一种叫做均相溶液的东西，这意味着你不能再区分这两种液体了。相反，当它们不能混合时，它们是“不混溶的”——它们会形成两个独立的层，称为异质溶液。为了能够混合，两种液体的分子必须能够相互吸引。极性分子(意味着它们的电荷分布不均匀，所以它们有更多的正电荷和更多的负电荷)倾向于形成氢键，而非极性分子(具有相等的电荷平衡)不倾向于形成氢键。因为水分子是极性的，任何没有极性分子的液体，如油，通常都不能与水相混溶。
外用酒精分子有极性和非极性两部分，这意味着它们能够与水形成氢键，因此能够与水混合。但是，当两种液体混合后，如何打破这些化学键来分离它们呢?你必须在混合物中加入一些东西来对抗酒精与水分子的结合。有一种物质可以做到这一点，那就是盐。盐是一种离子化合物，这意味着它是一种由称为离子的带电分子组成的物质。当离子化合物溶解在水中时，单个离子分离并被水分子包围——这个过程被称为溶剂化。因为盐离子是带电荷的，它们在极性溶剂中溶解得更好，极性溶剂的电荷也比非极性溶剂略多。由于这个原因，盐离子对水分子的吸引力比醇分子强得多，因为醇的极性比水小。这意味着，当盐含量很高时，所有的水分子都会与盐离子结合，而没有水分子与醇分子形成氢键。结果，酒精与水不相溶，开始形成一个单独的层。 This process is called “salting out,” or “salt-induced phase separation.”
历史上，这种方法一直被用于肥皂制造过程中，以去除不应该出现在最终肥皂产品中的成分。盐析在生物化学实验室中也常用于纯化蛋白质，因为不同的蛋白质分子在不同浓度的盐溶液中会不相溶。化学家使用这种技术从溶液中提取液体，这就是你在这个活动中要做的:你将用一茶匙食盐分离外用酒精和水的混合物!
材料
- 四个带盖子的透明迷你杯(两盎司)
- 永久性标记
- 自来水
- 外用酒精(70%异丙醇)
- 食盐
- 一套量勺
- 可以容忍溢出的工作区域
- 乙醇或丙酮(可以在五金店买到)(可选)
- 食盐替代品，如氯化钾或泻盐(可选)
准备
- 用永久记号笔标记小杯子1、2、3和4。
- 向1号杯和3号杯中加入1.5汤匙水。
- 向2号杯和4号杯中加入1.5汤匙外用酒精。
过程
- 在1号杯的水中加入一茶匙盐。盐会怎么样呢?它能溶于水吗?
- 盖上盖子，摇杯约20 - 30秒。混合物是什么样子的?
- 用2号杯(含外用酒精)重复前两步。这次盐怎么了?这种混合物看起来和水盐混合物不同吗?
- 取下永久记号笔的盖子，将笔尖在第三杯的水中旋转约10秒。把盖子盖在杯子上，摇五秒钟。墨水溶于水吗?溶液在摇晃后是什么样子的?
- 用4号杯(外用酒精)重复上述步骤。得到的混合物看起来不同吗?如果是，有什么不同?你能解释一下它们的区别吗?
- 接下来，把杯子4里的酒精倒入杯子3里的水里。盖上盖子，搅拌五秒钟。外用酒精会和水混合吗?混合物的颜色会发生什么变化?你看到独立的层形成了吗?
- 现在，在第三杯的混合物中加入一茶匙盐。盖上盖子，摇20到30秒。当你往混合物中加入盐时会发生什么?搅拌前后的混合物看起来不同吗?如果是的话，它看起来有什么不同?你能解释一下你的结果吗?混合物是什么颜色的?
- 额外的:你能用盐分离其他液体混合物吗?那乙醇和水或者丙酮和水呢?尝试不同的液体混合物来找出答案!
- 额外的:有没有其他的盐——比如氯化钾，一种盐的替代品，或者泻盐——可以用来分离液体?重复这个测试，但是这次使用不同于食盐的盐。你还能看到同样的结果吗?如果不是，你的结果有什么不同?
- 额外的:你需要多少盐才能把外用酒精和水分开?通过改变你在外用酒精和水混合物中添加的盐的数量来找到答案。
观察和结果
你应该已经看到，盐很容易溶解在1号杯的水里。(摇了摇之后，盐似乎消失了。)记住，这是因为离子盐分子很容易与极性水分子结合。然而，盐在第2杯的外用酒精中不容易溶解。(即使在摇晃之后，你仍然可以看到盐。)这是因为醇分子的极性比水分子弱，所以盐离子不容易与它们结合。
如果使用永久标记墨水，你应该会观察到完全相反的现象。这种墨水不能很好地溶解在水中，但在酒精中却很容易溶解，使酒精的颜色更鲜艳。这是因为外用酒精的分子中也有一部分不带电荷，是非极性的。这部分与非极性分子如记号墨水更相容。
当你将外用酒精与水混合时，水分子与水分子形成氢键。酒精溶解在水中形成一种均相溶液，所以你不能再区分酒精和水了。然而，如果你在混合物中加入盐，盐就会溶解在水中，与酒精争夺水分子。因为能与醇分子形成氢键的水分子较少，所以醇在水-醇混合物中的可溶性较低，最终在水的表面形成一层独立的水分子。两层应该有不同的颜色，水大部分是清澈的，而酒精的颜色更多。这是因为标记墨水在外用酒精中更容易溶解。
清理
用大量的冷水将所有的混合物冲进水槽。勤洗手，清洁工作区域。
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