凝固點降低法測定摩爾質量實驗的教學體會

周新麗+李維杰

摘要：本文分析了SWC-LG凝固點實驗裝置測定摩爾質量實驗中存在的三方面問題：實驗體系環(huán)境不友好、寒劑溫度控制困難、人工數(shù)據(jù)采集處理.提出以下改進方法：采用水做溶劑的測定體系、低溫恒溫槽控制溫度以及數(shù)據(jù)采集處理自動化.通過改進可以使該實驗成為綠色環(huán)保、實驗測量準確的本科教學實驗.

關鍵詞：凝固點降低；摩爾質量；實驗改進

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）02-0267-02

一、凝固點降低法測定摩爾質量實驗的基本原理

Tf*，Tf分別為純?nèi)軇⑷芤旱哪厅c，單位K；mA、mB分別為溶劑、溶質的質量，單位kg；Kf為溶劑的凝固點降低常數(shù)，與溶劑性質有關，單位K·kg·mol-1；MB為溶質的摩爾質量，單位kg·mol-1.將一定量的溶劑A和溶質B組成稀溶液，分別測定純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c，求得ΔTf，再查得溶劑的凝固點降低常數(shù)，代入上述公式，即可計算溶質的摩爾質量.

二、實驗儀器和步驟

1.實驗儀器.南京桑力公司生產(chǎn)的SWC-LG凝固點實驗裝置是廣大高校所采用的一套裝置.該裝置整合了貝克曼溫度計和傳統(tǒng)的凝固點測定儀，用數(shù)字顯示的方式給出溫度數(shù)值，自動化程度顯著提高，溫度數(shù)據(jù)的準確性得到了改善.此外，溶液攪拌用磁力攪拌代替手動攪拌，攪拌速度比較均勻，有利于溫度的控制，但是，冰浴的攪拌仍采用上下拉動的手動攪拌方式.裝置的結構如圖1所示.

（1）機箱；（2）電源開關；（3）磁力攪拌器調速旋鈕；（4）測量與保持狀態(tài)的轉換；（5）溫差清零鍵；

（6）鎖定鍵；（7）定時設置按鍵；（8）狀態(tài)指示燈；（9）溫差顯示窗口；（10）定時顯示窗口；（11）溫度顯示窗口；（12）凝固點測定管；（13）冰浴槽（保溫筒）；（14）手動攪拌器；（15）溫度傳感器；（16）手動攪拌器（冰浴槽）；（17）空氣套管；（18）攪拌磁珠；（19）磁力攪拌器.

2.實驗步驟.配一定量的氯化鈉水溶液倒入冰浴槽中，用制冰機制取碎冰，往冰浴槽中加碎冰調節(jié)溫度為-3℃左右，上下拉動的手動攪拌器使溫度穩(wěn)定.精確移取25mL溶劑于樣品管并放入冰浴槽中急速冷卻，開啟凝固點實驗裝置電源和磁力攪拌，冷卻至凝固點附近時轉移至空氣冷卻管中，每隔15s人工記錄該一次溫度，當溫度先下降至過冷溫度后再升高且數(shù)值穩(wěn)定不變時，為純?nèi)軇┑哪厅c.取三次測定的平均值作為溶劑的凝固點.取出凝固點管，使管中的溶劑完全融化；加入精確稱重的溶質完全溶解，按與溶劑凝固點同樣的測定方法進行測定，取三次測定的平均值作為溶質的凝固點.

三、實驗中存在的問題

1.測定體系的選擇.目前的物理化學實驗教材大部分是測定苯-萘體系，或環(huán)己烷-萘體系，以萘作為溶質，苯或環(huán)己烷作為溶劑.該體系中萘、苯、環(huán)己烷，均為有毒性的環(huán)境污染物，如苯在常溫下易揮發(fā)，損害人體健康，回收起來也非常難度.其次，環(huán)己烷、苯吸水性很強，實驗前需要預處理（干燥），增加了實驗準備的步驟.此外，有機溶劑在實驗過程中容易揮發(fā)，致使溶液濃度發(fā)生改變，所以高溫、高濕季節(jié)實驗效果不好，實驗數(shù)據(jù)偏差較大.

2.寒劑溫度的控制.SWC-LG凝固點實驗裝置主要通過手動攪拌調整寒劑溫度，寒劑的溫度由冰水浴控制，隨著碎冰的融化，冰浴溫度會有所上升，實驗過程中需要不斷向冰槽中加碎冰并不停地上下攪拌，不易保持冰浴溫度的均勻和恒定的冷卻速度.此外，水溶液體系的凝固點較低，冰水浴提供的冷量不能使體系有較快的冷卻速率，整個冷卻過程較長，特別是在重復測試三次的情況下，將超過常規(guī)實驗教學的時間要求.

3.實驗數(shù)據(jù)的記錄.溶劑和溶液冷卻過程中采用15s中人工記錄一次溫度數(shù)據(jù)，在相變前的降溫段，降溫速率慢，所記錄的數(shù)據(jù)量很大，而相變發(fā)生后，溫度很快回升到凝固點附近，又來不及記錄該段的數(shù)據(jù)，造成相變點不明顯.后期人工繪制冷卻曲線時也存在誤差.

四、實驗的改進方法

1.綠色體系的選擇.為解決環(huán)境友好的問題，國內(nèi)一些研究者嘗試采用水溶液來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的萘-環(huán)己烷等體系.水溶液是無毒的環(huán)保類體系，實驗過程中不易揮發(fā)，是理想的凝固點降低法測定體系.中國石油大學的孟慶民等對環(huán)己烷-萘、苯-萘、水-葡萄糖、水-蔗糖、水-尿素等不同體系的凝固點降低值進行了測定，同時比較了溶質在溶劑中溶解速度的快慢.得出水-尿素體系是溶解速度快，相對誤差小，重復性好，環(huán)境友好，對師生健康有利的相對綠色體系.

2.低溫恒溫槽控制溫度.同濟大學的李明芳等、河北師范大學的裴淵超等，改進了實驗裝置，制作了一個不銹鋼螺旋盤管，放入儀器的恒溫槽中，恒溫槽中加水或其他的寒劑，把螺旋盤管的兩端接在低溫恒溫槽的循環(huán)液系統(tǒng)中，由低溫恒溫槽控制其溫度.該方法提供了一個穩(wěn)定的低溫環(huán)境，將上下拉動的手動攪拌方式改為電動磁力攪拌，省去了手動攪拌的人力消耗以及實驗過程中寒劑溫度波動帶來的實驗誤差.此外，使用一臺低溫恒溫槽可以同時帶動多臺儀器，多組學生可以同時完成實驗.

3.數(shù)據(jù)采集處理自動化.廣西師范學院的龐承新等，通過數(shù)據(jù)采集卡提供的接口，計算機自動采集實驗數(shù)據(jù)，記錄不同時間下的溫度，應用凝固點實驗數(shù)據(jù)采集處理軟件自動繪制冷卻曲線（T-t圖），代替人工記數(shù)繪圖，學生可以觀察到溶劑和溶液的冷卻曲線，相變點非常清晰，提高了實驗的精度和準度.輸入所需參數(shù)后，還可以計算出摩爾質量，代替人工計算.

五、結論

本文分析了SWC-LG凝固點實驗裝置測定摩爾質量實驗中存在的三方面問題：實驗體系環(huán)境不友好、寒劑溫度控制困難、人工數(shù)據(jù)采集處理.針對這些問題，參考其他實驗教學改革內(nèi)容，提出以下改進方法：采用水做溶劑的測定體系、低溫恒溫槽控制溫度以及數(shù)據(jù)采集處理自動化.通過這些改進，可以使該實驗成為綠色環(huán)保、實驗測量準確的本科教學實驗.

參考文獻：

[1]孟慶民，俞英，黃海燕，等.凝固點降低法測定摩爾質量實驗體系的綠色化研究[J].實驗室科學，2016，19（1）：33-35.

[2]李明芳，王曉崗，吳梅芬，等.凝固點降低法測定分子摩爾質量的實驗改革[J].實驗室科學，2012，15（6）：78-80.

[3]裴淵超，張虎成，趙揚，等.凝固點降低法測定摩爾質量實驗裝置的改進，實驗室科學，2011，14（4）：174-176.

Teaching Experience on Determination of Molar Mass by Freezing Point Depression Method

ZHOU Xin-li，LI Wei-jie

（School of Medical Instrument and Food Engineering，The University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：Molar mass is experimentally determined by SWC-LG freezing point experimental apparatus. Three problems are analyzed in this paper：experimental system unfriendly environmen，difficulty in control of cold refrigerant temperature，manual data acquisition and processing. The following improved methods are presented：using water as a solvent system，temperature control with low temperature thermostat bath，and automation of data acquisition and processing. With these improvements，the experiment can become green and accurate experiment for undergraduate.

Key words：freezing point depression；molar mass；experiment improvement