透析密度應(yīng)用

安徽 黎紹亮 王賀法

透析密度應(yīng)用

安徽 黎紹亮 王賀法

密度是指在一定溫度和壓強(qiáng)下，某種物質(zhì)的質(zhì)量和其體積的比值，即某種物質(zhì)單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)。作為物理學(xué)科的一個基本概念，它表示物質(zhì)的一種特性，不隨質(zhì)量和體積的變化而變化，只隨物質(zhì)溫度、壓強(qiáng)變化而變化。密度在化學(xué)中也廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在四個方面：常見不同物質(zhì)密度的相對大小比較、氣態(tài)或液態(tài)物質(zhì)間密度的半定量比較、液體密度的有關(guān)計算和晶體密度的有關(guān)計算。

一、常見不同物質(zhì)密度的相對大小比較

常見不同物質(zhì)密度的相對大小比較，可以是氣體間密度大小比較，運(yùn)用排氣收集氣體法實驗；可以是氣體和液體間密度比較，運(yùn)用排液收集氣體法實驗；可以是液體間密度大小比較，運(yùn)用（互不相溶、互不反應(yīng)）液體間的萃取、分液實驗。

【例1】用如圖裝置收集NO氣體，不正確的操作是（ ）

A．從①口進(jìn)氣，用排水法集氣

B．從①口進(jìn)氣，用排氫氣法集氣

C．從②口進(jìn)氣，用排水法集氣

D．從②口進(jìn)氣，用排二氧化碳法集氣

【答案】A

【解析】由于NO氣體能與空氣中的氧氣迅速反應(yīng)，且其密度與空氣接近，不能用排空氣法收集，因此只能用排“惰性氣體”法收集：由于其密度大于氫氣，可以用向上排氫氣法收集，選項B（長進(jìn)短出）不符合題意；由于一氧化氮密度小于二氧化碳，可以用向下排二氧化碳法收集，選項D（短進(jìn)長出）不符合題意。由于NO氣體密度比水小，且不溶于水、不與水反應(yīng)，因此能用排水法收集，即選項C（短進(jìn)長出）不符合題意，選項A（長進(jìn)短出）符合題意。

【例2】（2013·廣東，節(jié)選）在實驗室中用濃鹽酸與MnO2共熱制取Cl2并進(jìn)行相關(guān)實驗。下列收集Cl2的正確裝置是（ ）

【答案】C

【解析】氯氣是密度比空氣大且有毒的氣體，必須用堿性物質(zhì)（如氫氧化鈉溶液）吸收尾氣。選項A，用單孔塞的集氣瓶，不能排出空氣，裝置不合題意；選項B，應(yīng)該短進(jìn)長出收集，且缺少尾氣處理，裝置不合題意；選項D，氯氣直接被裝置中的氫氧化鈉溶液反應(yīng)，裝置不合題意；選項C，既考慮到氯氣與空氣相對密度大小，用長進(jìn)短出收集，又用防止倒吸裝置吸收尾氣，裝置符合題意。

【例3】（2014·新課標(biāo)Ⅰ，節(jié)選）在反應(yīng)器皿A中加入4．4g異戊醇、6．0g乙酸、數(shù)滴濃硫酸和2～3片碎瓷片。開始緩慢加熱A，回流50min。反應(yīng)液冷至室溫后倒入分液漏斗中，分別用少量水、飽和碳酸氫鈉溶液和水洗滌。在洗滌、分液操作中，應(yīng)充分振蕩，然后靜置，待分層后（ ）

A．直接將乙酸異戊酯從分液漏斗的上口倒出

B．直接將乙酸異戊酯從分液漏斗的下口放出

C．先將水層從分液漏斗的下口放出，再將乙酸異戊酯從下口放出

D．先將水層從分液漏斗的下口放出，再將乙酸異戊酯從上口倒出

【答案】D

【解析】乙酸異戊酯不溶于水，不與水反應(yīng)，且密度比水小，因此液體發(fā)生分層。在分液操作時，應(yīng)該使密度較大的下層（即水層）先從分液漏斗的下口放出，再將密度較小的上層（即乙酸異戊酯）從上口倒出。

二、密度的半定量比較

【例4】下列說法正確的是（ ）

A．質(zhì)量相等、密度不等的N2和C2H4的分子數(shù)一定相等

B．等體積、等密度的CO2和C2H4的分子數(shù)一定相等

C．等體積、等密度的鹽酸和硝酸溶液含有的氫離子數(shù)目相等

D．等體積、等物質(zhì)的量濃度但密度不等的鹽酸和硝酸溶液中含有的氫離子數(shù)目不相等

【答案】A

【解析】選項A，質(zhì)量相等的N2和C2H4，由于二者摩爾質(zhì)量都是28g／mol，因此二者的物質(zhì)的量相等，分子數(shù)也一定相等。該種情況下，分子數(shù)與氣體密度無關(guān)，命題正確；選項B，等體積、等密度的CO2和C2H4，二者質(zhì)量相等，但二者摩爾質(zhì)量不同，因此二者的物質(zhì)的量不相等，分子數(shù)也一定不相等，命題不符合題意；選項C，等體積、等密度的鹽酸和硝酸溶液，說明兩種溶液的質(zhì)量相等，但溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度未知，溶液中含有的氫離子數(shù)目也不一定相等，命題不符合題意；選項D，等體積、等物質(zhì)的量濃度的鹽酸和硝酸溶液，含有相同物質(zhì)的量溶質(zhì)，因此溶液中含有的氫離子數(shù)目相等，命題不符合題意。

【例5】在一定溫度下，不論容器體積是否改變，下列可逆反應(yīng)中密度一定能作為化學(xué)平衡標(biāo)志的是（ ）

【答案】C

【解析】根據(jù)密度公式ρ（g）＝m（g）總÷V（器），對于全氣體參加的可逆反應(yīng)體系，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，m總（g）（即氣體總質(zhì)量）始終相等，分為兩種情況：ΔV（g）＝0的反應(yīng)，氣體總物質(zhì)的量是個恒量，容器體積不隨反應(yīng)變化，因此密度一定不能作為化學(xué)平衡標(biāo)志，選項D不符合題意；ΔV（g）≠0的反應(yīng)，如果保持容器體積不變，密度一定不能作為化學(xué)平衡標(biāo)志。但保持恒壓，氣體總物質(zhì)的量在未達(dá)到平衡前是一直變化的量，到達(dá)平衡才是一個恒量。同時，容器的體積會隨氣體總物質(zhì)的量的變化而變化，則密度未達(dá)到平衡前是一直變化的，到達(dá)平衡才是一個恒量，因此可以作為化學(xué)平衡標(biāo)志。綜合可知選項A、B均不符合題意。

對于不是全氣體參加的可逆反應(yīng)體系，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，m總（g）（即氣體總質(zhì)量）在未達(dá)到平衡前是一直變化的量，到達(dá)平衡才是一個恒量。因此，不論容器體積是否改變，此時密度也一定在未達(dá)到平衡前是一直變化的量，到達(dá)平衡才是一個恒量。選項C中物質(zhì)C是固體，H2O、CO、H2為氣體，命題符合題意。

三、液體密度的有關(guān)計算

【例6】兩種硫酸溶液，一種硫酸溶液的物質(zhì)的量濃度為c1，密度為ρ1；另一種硫酸溶液的物質(zhì)的量濃度為c2，密度為ρ2；將它們等體積混合后，所得溶液的密度為ρ3，則混合后溶液的物質(zhì)的量濃度為____________。

【答案】

【解析】根據(jù)物質(zhì)的量濃度和密度的基本公式計算：

【例7】密度為0．91g／mL的氨水，質(zhì)量百分比濃度為25%，該氨水用等體積的水稀釋后，所得溶液的質(zhì)量百分比濃度為（ ）

A．等于12．5% B．大于12．5%

C．小于12．5% D．無法確定

【答案】C

【解析】兩種質(zhì)量百分比濃度不相同的同種溶質(zhì)溶液，只有等質(zhì)量混合時，混合溶液的質(zhì)量百分比濃度才能是兩個質(zhì)量百分比濃度的平均值。根據(jù)題意，水的密度（1．0g／mL）大于氨水的密度（0．91g／mL），當(dāng)它們等體積混合后，水的質(zhì)量比原氨水的質(zhì)量多，即混合后溶液的總質(zhì)量是原氨水的質(zhì)量的2倍多，所以混合溶液的溶質(zhì)質(zhì)量百分比濃度一定小于平均值12．5%。

四、晶體密度的有關(guān)計算

【例8】（2014·新課標(biāo)Ⅰ，37節(jié)選）Al單質(zhì)為面心立方晶體，其晶胞參數(shù)a＝0．405nm，晶胞中鋁原子的配位數(shù)為_______。列式表示Al單質(zhì)的密度________g／cm3（不必計算出結(jié)果）。

【答案】12

【解析】面心立方晶體，屬于在二維密置層的基礎(chǔ)上進(jìn)行的ABC型三維堆積，并可以截出相應(yīng)的晶胞，因此晶胞中鋁原子的配位數(shù)為12。

計算鋁單質(zhì)密度，實際上就是要計算出1mol晶胞的質(zhì)量和1mol晶胞的體積，二者的比值就是單質(zhì)密度。（1）求1mol晶胞的質(zhì)量。先計算出一個晶胞含有Al原子個數(shù)為，則1mol晶胞含有4mol鋁，其質(zhì)量為27g／mol×4mol＝27×4g；（2）求1mol晶胞的體積。先計算出一個晶胞的體積為（0．405nm）3＝（0．405× 10－7m）3，需注意單位一致。則1mol晶胞的體積為（0．405×10－7cm）3×6．02×1023。綜合（1）（2）可得到鋁單質(zhì)的密度，即

【例9】（2015·新課標(biāo)Ⅱ，37節(jié)選）A、B、C、D為原子序數(shù)依次增大的四種元素，A2－和B＋具有相同的電子構(gòu)型；C、D為同周期元素，C核外電子總數(shù)是最外層電子數(shù)的3倍；D元素最外層有一個未成對電子。A和B能夠形成化合物F，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，晶胞參數(shù)a＝0．566nm，F(xiàn)的化學(xué)式為________；晶胞中A原子的配位數(shù)為________；列式計算晶體F的密度：________g／cm3。

【答案】Na2O 8

【解析】根據(jù)題意，可以判斷出A為氧元素，B為鈉元素。再觀察晶胞結(jié)構(gòu)，①已知微粒半徑O2－＞Na＋，則以面心立方排列的是A元素微粒，即氧離子，共有6＝4；晶胞內(nèi)部排列的為B元素微粒，即鈉離子，共有1× 8＝8。綜合得到F的化學(xué)式為Na2O。②晶胞中A原子（即陽離子）的最鄰近原子為鈉離子，以晶胞上面的面心位置處的陽離子為例，可知其下方有4個鈉離子，同樣其上方也有4個鈉離子，故A原子的配位數(shù)為8。③計算晶體的密度，實際上就是要計算出1mol晶胞的質(zhì)量和1mol晶胞的體積，二者的比值就是物質(zhì)密度。已知一個晶胞含有4個氧離子和8個鈉離子，則1mol晶胞含有8mol鈉離子和4mol氧離子，1mol晶胞的質(zhì)量為（23×8＋16×4）g；一個晶胞的體積為（0．566×10－7）3cm3，1mol晶胞的體積（0．566×10－7）3×6．02×1023cm3。綜合可得該晶體的密度

（作者單位：安徽省阜陽市第五中學(xué)安徽省阜陽市紅旗中學(xué)）