二組分氣－液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的綠色化研究

苑 娟，萬 焱，褚意新

（河南中醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，河南 鄭州 450046）

綠色化是21世紀(jì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的方向和目標(biāo)，培養(yǎng)具有綠色環(huán)保理念的高素質(zhì)人才是大學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)通過學(xué)生的親身體驗(yàn)成為培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保理念的第一重要環(huán)節(jié)，因此各高校實(shí)驗(yàn)工作者在實(shí)驗(yàn)改革和綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面的研究和探索從未止步［1－11］。二組分氣－液平衡相圖實(shí)驗(yàn)是高等院校物理化學(xué)課程的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和必開實(shí)驗(yàn)。但該實(shí)驗(yàn)理論抽象難懂、儀器操作復(fù)雜、試劑消耗量大、測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)處理技巧性強(qiáng)，初學(xué)者在有限學(xué)時(shí)內(nèi)往往難以做出理想結(jié)果。本文結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，提出了對(duì)該實(shí)驗(yàn)的綠色化創(chuàng)新改革方案。

1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

沸點(diǎn)測(cè)定儀是該實(shí)驗(yàn)的主體裝置。酒精燈是該實(shí)驗(yàn)最經(jīng)濟(jì)的加熱方式，但酒精燃燒的廢煙污染實(shí)驗(yàn)室空氣，給師生的身體健康帶來影響，且使用不當(dāng)易引起火災(zāi)。電加熱絲加熱雖然快捷、方便，但學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中往往因?qū)?shí)驗(yàn)步驟不熟悉，且急于求成，極易導(dǎo)致電壓過高，燒斷加熱絲。鑒于此，我們引入了低壓恒流電源（型號(hào) WLS－2，測(cè)量范圍0～2A；0～15 V），其最高電壓不超過電加熱絲的額定電壓（15V），有效避免了學(xué)生因操作不當(dāng)對(duì)儀器的損壞。同時(shí)，為解決該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長的問題，把幾個(gè)沸點(diǎn)儀串聯(lián)起來共用一個(gè)冷卻系統(tǒng)，裝置如圖1所示，這樣不僅達(dá)到了縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、節(jié)約用水的目的，而且讓同組的學(xué)生都有獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和圖形的成功繪制，串聯(lián)沸點(diǎn)儀中貝克曼溫度計(jì)的基溫需及時(shí)校正。

圖1 沸點(diǎn)儀的串聯(lián)示意圖

2 巧選實(shí)驗(yàn)體系

該實(shí)驗(yàn)所采用的二組分體系主要有環(huán)己烷－乙醇［12］、乙醇－正丙醇［13］等，而采用正丙 醇－水為體系的相關(guān)研究報(bào)道較少。本校近年嘗試了正丙醇－水的二組分體系相圖實(shí)驗(yàn)，該相圖屬于具有最低恒沸點(diǎn)的類型。正丙醇－水體系的選擇滲透著綠色化學(xué)的理念。首先，水綠色無污染、廉價(jià)易得。水代替有機(jī)試劑，大大減少了試劑使用量和廢液排放，更符合綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)宗旨。其次，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中往往用蒸餾水清洗完沸點(diǎn)儀后，未進(jìn)行干燥處理就直接加樣實(shí)驗(yàn)，若采用的是環(huán)己烷－乙醇、乙醇－正丙醇等非水體系，水的引入使該體系由二組分體系直接變?yōu)槿M分體系，使實(shí)驗(yàn)失去意義。但若采用正丙醇－水體系，則可以輕松地消除人為錯(cuò)誤給實(shí)驗(yàn)帶來的影響，且正丙醇－水體系的最低恒沸點(diǎn)也易從實(shí)驗(yàn)測(cè)到。實(shí)踐證明，采用正丙醇－水體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果理想可靠。圖2是采用學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的正丙醇－水的T－X相圖，由圖2可見，該相圖氣相線和液相線距離較寬，圖像較完美。

圖2 水－正丙醇的T－X相圖

3 試劑配制因時(shí)制宜

傳統(tǒng)的試劑配制方式是每組學(xué)生自己配制，實(shí)驗(yàn)完畢作為廢液倒掉，不僅造成試劑的巨大浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，與綠色環(huán)保的理念相違背。目前高校主要采用“提前配制法”和“逐次添加法”來解決試劑浪費(fèi)問題［14－15］?！疤崆芭渲品ā奔从蓪?shí)驗(yàn)員提前配制好不同濃度的一系列溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)束放回原瓶循環(huán)利用，其濃度的微小浮動(dòng)可通過少量添加不同組分的方式進(jìn)行微調(diào)。循環(huán)利用的次數(shù)越多，試劑利用率越高，從長遠(yuǎn)講該法是最經(jīng)濟(jì)節(jié)約的方式。“逐次添加法”即在沸點(diǎn)儀中先添加一定量的純組分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而后逐次少量添加另一組分使體系濃度逐漸變化，邊添加邊實(shí)驗(yàn)，直至完成所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)量。該法與傳統(tǒng)試劑配制方法相比，可顯著提高試劑利用率，減小浪費(fèi)，但當(dāng)平行實(shí)驗(yàn)班較多時(shí)仍不如“提前配制法”經(jīng)濟(jì)，因此該法主要適用于平行實(shí)驗(yàn)班較少的情況。

我校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)為大循環(huán)實(shí)驗(yàn)，全年開設(shè)情況不均衡。每年上半年平行班級(jí)較多，達(dá)6～7個(gè)，下半年平行班級(jí)較少，只有1～2個(gè)。針對(duì)實(shí)際情況，我們對(duì)試劑的配制采取了不同方式，當(dāng)平行班級(jí)較多時(shí)采用提前配制法，當(dāng)平行班級(jí)較少時(shí)采用逐次添加法，以達(dá)到減小試劑消耗和污染的綠色化實(shí)驗(yàn)方式。

4 數(shù)據(jù)測(cè)量因樣而異

該實(shí)驗(yàn)不僅要測(cè)量不同濃度樣品的沸點(diǎn)，而且要測(cè)其達(dá)到氣－液兩相平衡時(shí)氣相和液相的折射率，以求平衡兩相的濃度，并最終做出T－X相圖。不難發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的待測(cè)樣品中有2個(gè)是特殊的，一個(gè)是純水，另一個(gè)是純的正丙醇，都是純物質(zhì)體系，即T－X相圖中兩端點(diǎn)的樣品。理論上講，這2個(gè)樣品達(dá)氣－液兩相平衡時(shí)，其兩相的折射率應(yīng)該相等，即濃度相等（x＝y(tǒng)），因此實(shí)驗(yàn)時(shí)只需測(cè)其沸點(diǎn)，而無需測(cè)兩相的折射率。但作為初學(xué)者，幾乎所有的學(xué)生在測(cè)完這2個(gè)樣品的沸點(diǎn)后都盲目地測(cè)量其氣、液兩相的折射率，不僅浪費(fèi)了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，更嚴(yán)重的是，由于各種人為誤差的引入，他們測(cè)出的兩相折射率大多不相等，結(jié)果直接導(dǎo)致純物質(zhì)體系氣－液平衡兩相的濃度不相等，做出的T－X相圖兩端不是封閉的，而是開口的，與相關(guān)理論大相徑庭。為避免此類現(xiàn)象的屢次發(fā)生，在實(shí)驗(yàn)講義和該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的醒目位置均設(shè)置了提醒標(biāo)志，該措施大大降低了實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤率。

5 結(jié)束語

本文從實(shí)驗(yàn)儀器的升級(jí)改造、實(shí)驗(yàn)裝置的串聯(lián)、實(shí)驗(yàn)體系的巧妙選擇、試劑配制方式的靈活變化、數(shù)據(jù)測(cè)量的恰當(dāng)處理等方面對(duì)二組分氣－液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的綠色化改革進(jìn)行了闡述。實(shí)踐證明，該措施簡便實(shí)用、效果顯著。綠色實(shí)驗(yàn)和綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是一項(xiàng)長期而艱巨的工程，必須持久付出辛勤勞動(dòng)和聰明智慧。

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