能用凝固的方法分离酒精和水吗

能用凝固的方法分离酒精和水吗？

――――一道升中考题引发的思考这是2009年南宁市的一道升中考题：小明去参观酒厂时，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：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。

此题不仅紧密地联系了实际，而且也很有创意。不过此题第一问也很容易导致学生误以为将混合液加热至酒精的沸点，酒精沸腾而水却不沸腾。倘若如此，那一次蒸馏即可得到高纯度的酒精。实际中显然不是这样的。

笔者曾在实验室专门做过混合液沸腾的实验。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。测出不同浓度的混合液开始沸腾时的温度后发现，混合液中水的质量分数越大，沸腾时的温度就越高，但不会高到同等情况下水的沸点；混合液中酒精的质量分数越大，沸腾时的温度就越低，但不会低到同等情况下酒精的沸点。实验还发现，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。这显然是由于相同情况下酒精汽化比水快，从而致使沸腾过程中混合液中水的质量分数越来越高造成

的。

从沸腾的实质来看，一次蒸馏并不可能得到高纯净的酒精。实际中，蒸馏冷却后得到的只是度数高一些的酒，而不是纯的酒精。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而已。因此，题目改为“酒厂用蒸馏的方法从酒精和水的混合液中获取浓度较高的酒精，这是利用在相同情况下，酒精比水更易＿＿＿＿＿”好一点。

利用汽化可以浓缩酒精，利用凝固可不可以呢？

我曾把用医用酒精简单地配制的三种浓度（最高不超过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。这表明利用凝固不仅确实可以浓缩酒精，而且还可从混合液中分离出较纯净的水来。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，酒精浓度高的很松散，一捅一个洞，且捅两下瓶内就有很多液态物质了。倒出来闻闻，酒味很重。浓度低的则很硬，很难捅进去。放一段时间后，再捅，发现松软多了。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？

原来在一定压强下，液态的晶体物质，其温度略微低于熔点时，

微粒便将规则地排列成为稳定的结构。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。也就是说，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，或者说因为水分子不能和其它微粒一起排列成稳定的结构，所以水在结晶过程中，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，即可得浓度高一些的酒精。其实，即使酒精分子与水分子能一起排列成稳定结构，那由于二者结构等上的差异，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。

然而，想利用此法分离出纯酒精却有点不实际。这是由于随着酒精浓度越来越高，混合液的凝固温度也会越来越低。温度低，不仅控制温度有点难（温度降得稍快稍低，酒精也可能会凝固），而且捣碎过滤冰块也会越来越难。

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比较大的“酒精泡”。酒精浓度低的冰块刚开始结冰时冰块中也有大量比较大的“酒精泡”，后来这些比较大的“酒精泡”慢慢变小，“酒精泡”中的部分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，包裹在“酒精泡”周围的冰慢慢地悄悄地化为水

溶进去了。由于还有部分的水没有熔化，故开始倒出的混合液的浓度较倒入时要高，即酒精被浓缩了，这也是为何酒味变浓的缘故。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。

综上所述，与利用汽化分离酒精和水相比，虽然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，酒精和水都会同时汽化，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，从而导致酒精不会与水同时凝固；但实际操作起来，显然前者更为简便。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。

后记：

当我看完文中的中考题时，我的直观感觉是，与利用汽化的方法相比，利用凝固的方法应当可以分离出纯净水——因为酒精分子与水分子区别很大，所以它应当很难融入到水的晶体之中。实际情况如何呢？我决定试一试。于是就买了一瓶医用酒精做了文中所述的实验。边做边想，还蛮有趣。

在利用实验探究问题时，尝尝会碰到没有合适的器材的情形。遇到这种情形，可如上述的探究那样适当地变通一下，说不定也可在一定程度上解决问题。

例如，在教科学的第一年中，我曾仔细地分析过日月星辰东升西落孰快孰慢的问题。

说起来很惭愧，在认真分析这一现象之前，我居然对星星的东升

西落没有一点直观印象，甚至好像从未留意过星星的东升西落。直到从事科学教学，我才认真地观测过星星的东升西落现象。虽然这一问题人类几千年前就已解决，但现代生活的嘈杂，已使人们无暇关注头顶上的星空了。这也让我突然想起不久前看的一篇文章“英国孩子12岁前要做的50件事”，其中的一件事就是“看星星”。英国，这一在二战之前曾执世界科技牛耳近三百年的国度，时至今日，它仍是除美国之外重要科技成果最多的国家。为什么英国人不多，科技创新却那么多呢？我想要孩子“看星星”，也许是其中的原因之一吧。

为了简明起见，我当时假定月球与地球的公转轨道都位于地球的赤道平面上，且所考虑的星辰也在赤道的正上方。由于月球的公转方向和太阳的“公转”方向都与地球的自转方向相同（注：运动是相对的。地球绕太阳公转，太阳也绕地球“公转”，且相对于地球而言，太阳绕地球“公转”的方向也是自西向东。或者说，从北极上空往下看，都是逆时针方向！之所以不是想当然的顺时针方向，是因为公转的方向是用位置矢量与速度矢量的叉乘的方向来描述的，而从地球绕太阳公转转到太阳绕地球“公转”，位置矢量与速度矢量二者恰好同时反向。如不能理解，最好画画图），且月球的公转周期约为27.3天，太阳的“公转”周期约为365天，故而在地面上看，恒星应比太阳东升西落快，太阳应比月球东升西落快，且前两者相差很小，后两者相差较大（相差多少，也可粗略计算出来）。

实际真是如此吗？因为太阳和星星、月亮几乎总不在同一起跑线上，所以实际中很难直接比较它们东升西落的快慢。不过，不在同一