實時電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)

張　毅　張　喆　柳明洙　李　錦　秦　燃　王一杉鄭　炯　鄭　申　賴建豪　陳　然　高爾雅　李丹彤朱肖淇　李　擊　鄢尤奇　馮雪芝　趙　明,*　胡　新,*

(1北京中科泛華測控技術(shù)有限公司，北京100083；2北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2011級，北京100191；3北京大學(xué)藥學(xué)院，北京100191)

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實時電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)

張毅1,§張喆1,§柳明洙1李錦1秦燃1王一杉1鄭炯1鄭申2賴建豪2陳然2高爾雅2李丹彤2朱肖淇2李擊3鄢尤奇3馮雪芝3趙明3,*胡新3,*

(1北京中科泛華測控技術(shù)有限公司，北京100083；2北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2011級，北京100191；3北京大學(xué)藥學(xué)院，北京100191)

摘要：采用由電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和個人計算機(jī)構(gòu)成的模塊化設(shè)計，以及基于LabVIEW 2013的虛擬儀器編程技術(shù)，建立了一套多通道的、并行的、實時的和自動化的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)對經(jīng)典的電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)實驗進(jìn)行了改革，提高了這一實驗的教學(xué)效率。此項改革可以為今后其他經(jīng)典化學(xué)實驗改革提供參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；電導(dǎo)率；實時測定；并行測試；多通道測試

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§共同第一作者

乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)測定是一個使用超過30年的經(jīng)典大學(xué)物理化學(xué)教學(xué)實驗，該實驗自上世紀(jì)70年代以來被國內(nèi)物理化學(xué)實驗教科書廣泛采用，此實驗可見于北京大學(xué)化學(xué)系(現(xiàn)為化學(xué)及分子工程學(xué)院)上世紀(jì)80年代的《物理化學(xué)實驗》和本世紀(jì)初的北京大學(xué)藥學(xué)院《現(xiàn)代實驗化學(xué)》教科書中[1－5]。該實驗旨在通過測定乙酸乙酯在氫氧化鈉作用下皂化過程的二級化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)，進(jìn)而使得學(xué)生了解化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)測定的原理和方法，以及溫度對于化學(xué)反應(yīng)速率的影響。以往的實驗教學(xué)為兩個學(xué)生一組，一位學(xué)生將乙酸乙酯溶液加入到某一恒定溫度下放有氫氧化鈉溶液的反應(yīng)容器中，另外一位同學(xué)將電導(dǎo)率儀的電導(dǎo)電極放入反應(yīng)容器中測定電導(dǎo)率并按下計時器開始記錄反應(yīng)時間，然后手寫記錄某一反應(yīng)時刻和該時刻相對應(yīng)的電導(dǎo)率數(shù)值，電導(dǎo)率數(shù)值用以標(biāo)志皂化反應(yīng)的進(jìn)程。由于讀取秒表時刻與該時刻相應(yīng)的電導(dǎo)率值至少要有1秒鐘的時間間隔，同時每次記錄數(shù)據(jù)與下一次電導(dǎo)率數(shù)據(jù)讀取要有一個較長的時間間隔，因此，這些時間間隔中的化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)會丟失，對于化學(xué)反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)觀察是不全面的。

盡管如此，乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)測定仍然是一個成熟的物理化學(xué)實驗，具有實驗體系簡單和穩(wěn)定、實驗結(jié)果易于重復(fù)、試劑和儀器成本較低的特點，特別是這個實驗經(jīng)過長時間的教學(xué)實踐證實是一個有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本概念的經(jīng)典實驗。因此，有必要對其通過自動化改革克服以上所述及的缺點，將其繼續(xù)保留在物理化學(xué)實驗教科書中。近半個世紀(jì)以來，大量的中外文獻(xiàn)報道了對于乙酸乙酯皂化反應(yīng)的反應(yīng)器設(shè)計、測試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)。特別值得一提的是，自1997年以來，國內(nèi)多所大學(xué)的不同學(xué)科的實驗室自己設(shè)計和研發(fā)了電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)實驗自動測控系統(tǒng)[6－9]，其中2004年武漢大學(xué)化學(xué)及分子科學(xué)學(xué)院報道了他們使用由微機(jī)控制的電導(dǎo)率儀多通道采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)改進(jìn)此實驗的工作。但是，這部分系統(tǒng)是專用系統(tǒng)，當(dāng)時成本較高，并沒有普遍應(yīng)用于基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗。

為此，北京大學(xué)藥學(xué)院的教師與北京中科泛華測控技術(shù)有限公司的技術(shù)人員合作研發(fā)了一個多通道的、并行的、實時的和自動化的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)，重新編寫了實驗講義，并將該實驗更名為“實時電導(dǎo)率測量法測定乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)”，然后由6位北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院在校學(xué)生組成的小組對改革后的實驗進(jìn)行教學(xué)實施前的測試，測試包括使用新的自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測定不同溫度下乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)，同時將改革后所得結(jié)果與以往的方法所得結(jié)果進(jìn)行對比，最后填寫實驗改革效果的調(diào)查問卷，得到了比較令人滿意的效果。

1　實驗原理和方法

1.1電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)的原理

乙酯乙酯被氫氧化鈉皂化(水解)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率是與兩種反應(yīng)物乙酸乙酯( cA)和氫氧化鈉( cB)濃度相關(guān)的二級化學(xué)反應(yīng)，k為反應(yīng)速率常數(shù)，單位為L?mol－1?min－1，其反應(yīng)速率表達(dá)為：

如果兩個反應(yīng)物乙酸乙酯(A)、氫氧化鈉(B)的初始濃度分別為cA0和cB0，t時間后有ct量的反應(yīng)物參與反應(yīng)，t時刻的反應(yīng)速率以產(chǎn)物的形式表示為：

如果將A、B兩物質(zhì)的起始濃度設(shè)計成相等，即cA0= cB0，則

對式(3)進(jìn)行積分變換后表示為：

以1/ ct對1/t作圖可擬合成一直線，從擬合所得直線的斜率即可求出皂化反應(yīng)速率常數(shù)k。

氫氧根離子和乙酸乙酯為反應(yīng)物質(zhì)，隨著皂化反應(yīng)的進(jìn)行，氫氧根離子濃度逐漸降低，形成部分電離的弱電解質(zhì)醋酸和乙醇，總的離子濃度逐漸降低，導(dǎo)致溶液的總電導(dǎo)率不斷下降。因此，可以通過溶液的電導(dǎo)率數(shù)值的變化跟蹤皂化反應(yīng)的進(jìn)程。

在稀溶液中，強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率κ與該電解質(zhì)的濃度成正比，溶液的總電導(dǎo)率等于組成溶液的各電解質(zhì)的電導(dǎo)率之和。乙酸乙酯在氫氧化鈉溶液中的皂化涉及的氫氧化鈉和醋酸鈉都是強(qiáng)電解質(zhì)，若乙酸乙酯和氫氧化鈉初始濃度很小且相等，反應(yīng)的初始濃度設(shè)為a，κ0和κ∞分別為反應(yīng)開始和結(jié)束時溶液的電導(dǎo)率，κt為t時刻溶液的總電導(dǎo)率，則：

其中A1、A2是與溫度、溶劑、電解質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)的比例常數(shù)。

將式(4)、式(5)兩式處理后可以得出：

實驗中只要實時測定出一系列不同時刻t的電導(dǎo)率κt，以κt對作圖，從斜率和初始濃度cA0即可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。

1.2虛擬實時電導(dǎo)率測定原理

傳統(tǒng)的臺式儀器可分為測試資源、數(shù)據(jù)處理單元和供電單元，測試資源又可以根據(jù)功能不同分為傳感器、信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。虛擬儀器技術(shù)以測試數(shù)據(jù)為核心，將傳統(tǒng)的臺式儀器測試資源中的一部分信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單獨分離出來組成板卡模塊，通過高速總線結(jié)合計算機(jī)技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并配以更為堅固穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和供電單元，使得儀器儀表獲得前所未有的靈活性(圖1)。

圖1　虛擬儀器的通用架構(gòu)

模塊化軟硬件的儀器設(shè)計思想有3方面優(yōu)勢：其一，測試資源不變，通過選擇不同的傳感器，并設(shè)計不同的控制軟件，可以用較低的費用實現(xiàn)多種儀器功能；其二，所有模塊均為商用貨架產(chǎn)品，通用性強(qiáng)，在損壞時易于更換，因此維護(hù)費用低；其三，相比傳統(tǒng)定制化儀器，虛擬儀器具有隨時可更改的控制軟件，使得儀器功能更為豐富，基于測試數(shù)據(jù)的分析處理更為靈活，添加、刪減功能易如反掌。

在教學(xué)實踐中，需要根據(jù)不同課程的需求搭建不同的實驗平臺，實驗數(shù)據(jù)的獲得離不開測量儀器，以往的測試方案是專用的和固化的，這導(dǎo)致了核心測試資源的高度重復(fù)，造成了資金浪費。虛擬電導(dǎo)率實驗系統(tǒng)基于虛擬儀器這一概念研制開發(fā)，傳感器由基于交流電橋法測試電導(dǎo)率的CM-230工業(yè)在線電導(dǎo)監(jiān)視儀(北京艾凡鵬儀表有限公司)改裝而成；核心器件采用中科泛華測控技術(shù)有限公司研發(fā)的nextkit nano便攜式USB數(shù)據(jù)采集卡，其主要作用是將前端傳感器感應(yīng)到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號供計算機(jī)存儲及分析；在計算機(jī)中，利用LabVIEW編寫程序?qū)崿F(xiàn)對nextkit nano的靈活控制(圖2)。

基于本實驗系統(tǒng)，當(dāng)測試需求改變時，比如需要增加多路溫度的測試，只需增加相應(yīng)的傳感器，再根據(jù)測試需求簡單修改軟件，毋須再購置計算機(jī)及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即可變換功能形成一套新的實驗系統(tǒng)[10－13]。

圖2　模塊化實時虛擬電導(dǎo)率測定實驗系統(tǒng)nextkit nano-nextmed-01示意圖

2　結(jié)果與討論

2.1實驗系統(tǒng)的設(shè)計

自行設(shè)計的模塊化實時虛擬電導(dǎo)率實驗系統(tǒng)nextkit nano-nextmed-01示意圖見圖2。該系統(tǒng)可以同時4路(也可以更多通道)并行實時測試電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，nextkit nano數(shù)據(jù)采集卡的4個數(shù)據(jù)采集通道AI0、AI1、AI5、AI6接口分別連接4個電導(dǎo)率測試傳感器(CM-230溫度補(bǔ)償型電導(dǎo)率測試儀，測量誤差在±2%)，使用LabVIEW 2013(美國國家儀器公司)編程的實時電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集軟件安裝于個人計算機(jī)(Windows7操作系統(tǒng)，美國微軟公司)，采集的實時電導(dǎo)率數(shù)據(jù)儲存在EXCEL文件里。恒溫系統(tǒng)為串聯(lián)式恒溫槽(SC-15數(shù)控超級恒溫槽，寧波新芝生物科技股份有限公司)。測試時只需點擊界面上“開始測試”即可。可以選擇數(shù)據(jù)采集的時間間隔以及數(shù)據(jù)采集通道，測試結(jié)束后還可以通過回放數(shù)據(jù)導(dǎo)出電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

2.2測定系統(tǒng)的校準(zhǔn)

本項研究分別使用自行設(shè)計的nextkit nano-nextmed-01實時電導(dǎo)率虛擬測試系統(tǒng)的兩個不同傳感器及通道AI0、AI5和以往使用的DDSJ-308型電導(dǎo)率儀(雷磁儀器廠，上海精密科學(xué)儀器有限公司，測量誤差±0.5%)測定乙酸乙酯在氫氧化鈉作用下皂化過程的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，因此，本文以后的敘述中，涉及以往的電導(dǎo)率測定方法簡稱為“傳統(tǒng)法”，虛擬儀器方法簡稱為“虛擬儀器法”。

在測定之前，使用去除二氧化碳的去離子水配制了濃度為0.00100、0.00500、0.0100、0.0200 mol?L－1KCl基準(zhǔn)溶液，對兩個測試系統(tǒng)進(jìn)行電導(dǎo)率數(shù)值的校準(zhǔn)。由于不同的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)測試范圍的電導(dǎo)池常數(shù)并不一樣，因此，參考IUPAC和國外其他實驗室提供的不同溫度(25.0、30.0、35.0°C)下的純水(0.055、0.071、0.090 μS?cm－1)、0.0100 mol?L－1KCl水溶液(1413、1552、1688 μS?cm－1)和0.0200 mol?L－1KCl水溶液(2765、3036、3312 μS?cm－1)，0.00100、0.00500 mol?L－1KCl水溶液(146.88、717.4 μS?cm－1，25.0°C)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)[14－17]得到圖3及圖4的電導(dǎo)率校準(zhǔn)線和表1所示的電導(dǎo)率校準(zhǔn)擬合公式。從結(jié)果可以看出，校準(zhǔn)線并非一條通過原點的直線，校正參數(shù)的不同可能源于電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值測定系統(tǒng)的差別。即使使用同一虛擬電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的兩個并行測試的通道也存在差異。

圖3　nextkit nano-nextmed-01 AI0通道(a)與AI5通道(b)的電導(dǎo)率測定校準(zhǔn)線■25.0°C，□30.0°C，Δ 35.0°C

圖4　(a) DDSJ-308型電導(dǎo)率儀測定校準(zhǔn)線(■25.0°C，□30.0°C，Δ 35.0°C)；(b) 25.0－35.0°C之間，使用DDSJ-308型電導(dǎo)率儀測得不同濃度的KCl水溶液的電導(dǎo)率溫度系數(shù)

由于虛擬儀器系統(tǒng)采用了CM-230溫度補(bǔ)償型電導(dǎo)率傳感器，在不同溫度下虛擬儀器法的電導(dǎo)率值以25.0°C時的標(biāo)準(zhǔn)值為參考值進(jìn)行校準(zhǔn)。實驗發(fā)現(xiàn)，DDSJ-308型電導(dǎo)率儀在不同濃度的KCl溶液中具有不同的溫度系數(shù)(圖4(b))，對于不同范圍的電導(dǎo)率數(shù)值采用不同的電導(dǎo)率溫度系數(shù)計算其在25.0°C時的電導(dǎo)率，計算公式為：

其中κ(t)為溫度為t°C時的電導(dǎo)率；κ25為25.0°C時的電導(dǎo)率；t為溫度(°C)；α為電導(dǎo)率溫度系數(shù)(μS?cm－1?°C－1)。

使用傳統(tǒng)法測定電導(dǎo)率時采用非溫度補(bǔ)償方式，除了需要做出不同溫度下相對于標(biāo)準(zhǔn)值校正外，還要做出溫度補(bǔ)償?shù)男Ｕ?，即從?t)、α、t計算出κ25。

表1　兩種不同的測定方法在不同溫度下的電導(dǎo)率校正公式

2.3虛擬儀器法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)

圖5　虛擬儀器法AI0通道(a)與AI5通道(b)的實時電導(dǎo)率曲線(數(shù)據(jù)點為同樣溫度下3次平行實驗(n = 3)測定的相同時刻電導(dǎo)率的平均值±平均標(biāo)準(zhǔn)偏差)及AI0通道(c)與AI5通道(d)測得的κt-(κ0－κt)/t圖及擬合直線

分別在25.0、30.0、35.0±0.1°C恒溫條件下使用虛擬儀器測試系統(tǒng)的兩個通道AI0、AI5并行測定了乙酸乙酯皂化反應(yīng)的實時電導(dǎo)率曲線(圖5(a)、圖5(b))。恒溫條件下分別使用兩支移液管將20.00 mL濃度為0.0183 mol?L－1的乙酸乙酯水溶液加入到已在相同溫度下恒溫的兩份20.00 mL等濃度(0.0183 mol?L－1)的NaOH水溶液中，待反應(yīng)液初步混合后開始使用兩個傳感器及測試通道(AI0、AI5)并行測定兩份反應(yīng)液的實時電導(dǎo)率κt，數(shù)據(jù)采集的時間間隔為2 min。從圖5(a)和圖5(b)的結(jié)果可以看出，同樣溫度下電導(dǎo)率隨時間下降，較高溫度電導(dǎo)率值低于較低溫度的值，說明溫度升高反應(yīng)速率加快。從圖5(c)與圖5(d)以及表2與表3可以看出，κt與(κ0－κt)/t呈現(xiàn)出直線相關(guān)的關(guān)系，從擬合直線斜率計算出的乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)隨著溫度的升高而增大，兩個不同通道的測定結(jié)果接近。κ0為0時刻反應(yīng)溶液的電導(dǎo)率，其數(shù)值為稀釋一倍后的NaOH溶液(0.00915 mol?L－1)的電導(dǎo)率。圖中所有數(shù)值均使用基準(zhǔn)KCl水溶液校正。CM-230電導(dǎo)率傳感器是溫度補(bǔ)償型的電導(dǎo)率測定傳感器，結(jié)果主要顯示了溫度升高對于乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率的影響所導(dǎo)致的電導(dǎo)率的變化。

表2　兩種不同方法在不同溫度下的擬合直線方程

表3　兩種不同方法測得的乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)k

2.4傳統(tǒng)法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)

為了比較實時電導(dǎo)率虛擬測定系統(tǒng)與以往方法測定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)結(jié)果的差別，分別在25.0、30.0、35.0±0.1°C恒溫條件下使用移液管將20.00 mL濃度為0.0183 mol?L－1的乙酸乙酯水溶液加入到已在相同溫度下恒溫的20.00 mL等濃度NaOH(0.0183 mol?L－1)水溶液中，待兩溶液初步攪拌混合后即打開秒表計時，然后分別在不同時刻使用DDSJ-308型電導(dǎo)率儀測試并記錄電導(dǎo)率值(圖6 (a))。由圖6(a)可以看出，電導(dǎo)率隨時間延長呈現(xiàn)下降趨勢，溫度升高時化學(xué)反應(yīng)速率增大，電導(dǎo)率也隨之降低，圖中所示為經(jīng)過溫度補(bǔ)償校正后的電導(dǎo)率。由于電導(dǎo)率測定在非溫度補(bǔ)償型的條件下進(jìn)行，觀察到的電導(dǎo)率數(shù)值是由于溫度上升皂化反應(yīng)速率加快所導(dǎo)致的電導(dǎo)率下降和由于溫度上升所導(dǎo)致的電導(dǎo)率值上升兩者疊加的結(jié)果，經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)男Ｕ?，可以看出僅僅由于溫度上升時化學(xué)反應(yīng)速率增加導(dǎo)致的電導(dǎo)率的變化值。

從圖6(b)和表2與表3的結(jié)果可以看出，κt-(κ0－κt)/t為線性關(guān)系，從擬合直線斜率計算出的乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)隨著溫度的升高而增大。

圖6　(a)使用傳統(tǒng)方法得到的電導(dǎo)率-時間圖線，數(shù)據(jù)點為同樣溫度下三次平行實驗(n = 3)測定的同樣時刻電導(dǎo)率的平均值±平均標(biāo)準(zhǔn)偏差；(b)κt-(κ0－κt)/t圖及擬合直線

2.5空氣中二氧化碳?xì)怏w對電導(dǎo)率測定的影響

圖7為沒有乙酸乙酯時NaOH水溶液的電導(dǎo)率κ0。實驗發(fā)現(xiàn)，κ0有一個逐步下降最后達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值的過程，即使是使用溫度補(bǔ)償法測定或作過溫度補(bǔ)償校正的電導(dǎo)率數(shù)值也會隨著溫度升高而上升，可能是因為在乙酸乙酯皂化反應(yīng)過程中，二氧化碳被NaOH水溶液吸收，進(jìn)而影響到電導(dǎo)率的測定值。

圖7　不同溫度下未加入乙酸乙酯的NaOH水溶液(0.00915 mol?L－1)的電導(dǎo)率κ0

2.6虛擬儀器法與傳統(tǒng)方法結(jié)果的比較

據(jù)文獻(xiàn)報道[9,18,19]，25.0°C時，k = 6.42 L?mol－1?min－1；30.0°C時，k =8.68 L?mol－1?min－1；35.0°C時，k =10.5 L?mol－1?min－1，可以看出，大部分虛擬儀器法測得速率常數(shù)與文獻(xiàn)值接近。

本實驗計算出的活化能為：傳統(tǒng)法(57.9 kJ?mol－1)，虛擬儀器法(AI0：30.8 kJ?mol－1，AI5：35.9 kJ?mol－1)，虛擬儀器法的活化能值更接近文獻(xiàn)值(33.24 kJ?mol－1)[20]。

3　實驗改革效果的調(diào)查

本實驗由北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院2011級6位在校學(xué)生使用兩種不同方法測定了乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)，最后對6人各發(fā)放一份教學(xué)改革效果調(diào)查表，其中提出了9個調(diào)查問題，大部分學(xué)生認(rèn)為：使用虛擬儀器法實驗改革后實驗效率提高，雖然使用不同方法測定所使用實驗時間幾乎一樣(9±1小時)，虛擬儀器法在自動測試數(shù)據(jù)的50分鐘時間內(nèi)，毋須不停地看計時器和手寫記錄電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，實驗改革后所得速率反應(yīng)常數(shù)與傳統(tǒng)法的結(jié)果比較接近。同時也指出，由于加入乙酸乙酯溶液的步驟沒有完全自動化，不同的組別必須手動同步加入，這可能是導(dǎo)致不同通道測定結(jié)果差別的原因。此外，由于虛擬儀器法更為靈敏，所測定的電導(dǎo)率數(shù)值會出現(xiàn)由于電極極化和溫度對測定影響導(dǎo)致的實時變化，看起來似乎傳統(tǒng)法數(shù)據(jù)更易于重復(fù)。

4　結(jié)論

使用自行設(shè)計和安裝的自動化的虛擬儀器電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對經(jīng)典的電導(dǎo)率法測定乙酸乙酯皂化二級反應(yīng)速率常數(shù)教學(xué)實驗進(jìn)行了改革。此項改革可以得到更多的實時的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，還可以將電導(dǎo)率數(shù)據(jù)直接保存在EXCEL文件中使得數(shù)據(jù)處理更為容易。改進(jìn)后的方法所得化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與經(jīng)典法結(jié)果相近，其差別源于兩種不同測試系統(tǒng)的差異。因此，虛擬儀器電導(dǎo)率測試法可以提高實驗教學(xué)效率，有望替代傳統(tǒng)的教學(xué)實驗方法。本項教學(xué)改革研究還在跨學(xué)科合作和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的教學(xué)改革模式上做出了一些嘗試，可以為以后其他經(jīng)典化學(xué)實驗教學(xué)改革提供借鑒和幫助[21]。

今后將通過加入溶液加樣和混合的自動化模塊實現(xiàn)此經(jīng)典實驗的全面自動化，以克服目前存在的實驗初始階段溶液混合不均勻以及不同通道測試不容易同步的缺陷。

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?化學(xué)實驗?

Determination of the Second-Order Rate Constant for the Saponification of Ethyl Acetate by Real-Time Conductivity Measurements

ZHANGYi1,§ZHANG Zhe1,§LIUMing-Zhu1LI Jin1QINRan1WANGYi-Shan1ZHENG Jiong1ZHENG Shen2LAI Jian-Hao2CHEN Ran2GAOEr-Ya2LI Dan-Tong2ZHU Xiao-Qi2LI Ji3YANYou-Qi3FENG Xue-Zhi3ZHAO Ming3,*HU Xin3,*
(1Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement & Control Technology Co., Ltd, Beijing 100083, P. R. China;2School of Basic Medicine, Peking University, Beijing 100191, P. R. China;3School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100191, P. R. China)

Abstract:Determination of the second-order rate constant for the saponification of ethyl acetate has been a classical experiment in the physicochemical laboratory course for more than thirty years. In this paper, a new measurement system composed of the conductivity sensor and the computer equipped with the Nextkit Nano data acquisition card programmed with LabVIEW 2013, has been designed and constructed for multi-channel, parallel, real-time, and automatic acquisition of conductivity data. This setup has improved the teaching efficiency, and sets up an example for the future reforms of other classical experiments in chemical laboratory courses.

Key Words:Rate constant of chemical reactions; Conductivity; Real-time measurement; Parallel measurement; Multi-tunnel measurement

中圖分類號：O6-3；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160355

*通訊作者，Email: sunmoonzhao@bjmu.edu.cn; huxinbjmu@bjmu.edu.cn

基金資助：北京大學(xué)藥學(xué)院教學(xué)改革項目