雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改進(jìn)措施探討

王金玉 卿大詠 劉瑩 吳洋 朱元強(qiáng)

摘要：結(jié)合本校在雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的改革情況，本文討論了該實(shí)驗(yàn)在體系選擇、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)、數(shù)據(jù)處理改進(jìn)、廢液回收利用等方面取得的進(jìn)展，提高了實(shí)驗(yàn)效率，具有綠色環(huán)保、安全經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；氣—液平衡；相圖；雙液系

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）11-0269-02

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的組成部分，是化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、環(huán)境工程、安全工程、化學(xué)等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要獨(dú)立的公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。它綜合利用了物理和化學(xué)的原理和技術(shù)，進(jìn)而研究和探索分析化學(xué)問(wèn)題。其課程本身具有思維邏輯性強(qiáng)、緊密聯(lián)系工程實(shí)際、實(shí)踐環(huán)節(jié)豐富等特點(diǎn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、工程實(shí)踐能力、獨(dú)立科研能力有重要作用[1]。

雙液系氣—液平衡相圖的實(shí)驗(yàn)是普通高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所需記錄的數(shù)據(jù)量較大，消耗時(shí)間長(zhǎng)，儀器操作和數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。多年來(lái)，通過(guò)項(xiàng)目制教學(xué)，筆者主要指導(dǎo)該項(xiàng)目，大部分學(xué)生基本能掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、阿貝折光儀的使用方法、氣液相組成的測(cè)定、數(shù)據(jù)處理以及如何解答相應(yīng)的思考題等。但是，該實(shí)驗(yàn)仍有不足和需要改進(jìn)的地方，下面就從以下幾個(gè)方面做出討論。

一、實(shí)驗(yàn)體系的選擇

早期教材采用的是苯-乙醇體系。苯的毒性較大，對(duì)于環(huán)境和健康都有影響。后來(lái)，部分高校采用乙酸乙酯-乙醇體系[2]。目前，我校采用環(huán)己烷-乙醇體系，該體系是具有正偏差的、有最低恒沸點(diǎn)的非理想完全互溶雙液系，因環(huán)己烷-乙醇的折光率相差較大，它們組成的溶液折光率隨著溶液的成分改變而顯著變化，用阿貝折光儀測(cè)定待測(cè)樣品的組成較為準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，苯-乙醇體系易揮發(fā)出較大的苯味，不僅影響師生健康，同時(shí)廢液難以回收，污染環(huán)境，耗材費(fèi)用高。該體系沸點(diǎn)溫度低，容易測(cè)量，較為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

二、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器不同于其他化學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。大多數(shù)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)依賴(lài)于精密儀器來(lái)完成，往往這些儀器在價(jià)格上比較昂貴[3]。大部分地方院校的實(shí)驗(yàn)配套設(shè)備在6—8套，隨著學(xué)生人數(shù)的逐年增多，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在許多高校是采用大循環(huán)分組實(shí)驗(yàn)制度[4]。這就要求物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)配備較多的儀器，否則會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的充分開(kāi)展。同時(shí)，由于設(shè)備的更新，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)，或高校本身的實(shí)際情況，實(shí)際所用實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)方法與參考教材中所述的會(huì)稍有不同，故而造成學(xué)生預(yù)習(xí)和具體實(shí)驗(yàn)的不統(tǒng)一，不方便教學(xué)，失去教材的指導(dǎo)作用[5]。實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)教材不配套，也成為較為嚴(yán)峻的問(wèn)題。在此背景下，為了進(jìn)一步滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，我校在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)加工改造現(xiàn)有設(shè)備，升級(jí)設(shè)備相關(guān)功能，增加設(shè)備數(shù)量，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室儀器的使用和利用價(jià)值，以便學(xué)生有更多的操作機(jī)會(huì)。

（一）加熱方式的改進(jìn)

酒精燈是實(shí)驗(yàn)室中較為常用的加熱儀器，加熱方式較為經(jīng)濟(jì)，但是酒精揮發(fā)性較強(qiáng)、易燃，在使用過(guò)程中必須注意安全。酒精不小心灑出且易在燈外燃燒，燒掉冷凝水橡皮管，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存有一定的安全隱患。

原有的沸點(diǎn)儀是該實(shí)驗(yàn)的常用裝置，主要以電阻絲加熱為主，這種沸點(diǎn)儀的缺陷是加熱電阻絲允許的電壓不能超過(guò)40V[6]，否則在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，壓力容易調(diào)大以致燒斷電阻絲。電阻絲周邊的液體受熱不均，容易產(chǎn)生氣泡，不利于觀察沸騰現(xiàn)象。電阻絲通電后與易燃待測(cè)液直接接觸，存在極大的安全隱患。

為解決上述問(wèn)題，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一定的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的綜合測(cè)定儀，將蒸餾燒瓶?jī)?nèi)的電阻絲改用電加熱套在燒瓶外，并用鐵架臺(tái)固定，同時(shí)具備加熱控制，有安全供電的加熱電源，實(shí)現(xiàn)加熱電源可控可調(diào)、穩(wěn)定加熱、超溫?cái)嚯姳Ｗo(hù)等功能。那么，在實(shí)際加熱過(guò)程中，將綜合測(cè)定儀的加熱功率控制在50W左右，待測(cè)液受熱均勻，可產(chǎn)生較為平穩(wěn)的沸騰，加熱安全性高。同時(shí)，改進(jìn)后的測(cè)定儀實(shí)驗(yàn)效果好，操作簡(jiǎn)單，安全可靠。

（二）測(cè)溫方式的改進(jìn)

原有的實(shí)驗(yàn)操作中，帶橡膠塞的水銀溫度計(jì)直接插進(jìn)蒸餾燒瓶里，水銀溫度計(jì)的水銀球接觸待測(cè)溶液，當(dāng)每個(gè)樣品加熱完畢，直接讀取水銀溫度計(jì)上面的刻度。但是水銀溫度計(jì)不僅在讀取過(guò)程中不太準(zhǔn)確，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中危險(xiǎn)程度非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。學(xué)生若在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不小心打碎了溫度計(jì)，那么汞就會(huì)灑落出來(lái)，揮發(fā)到空氣中對(duì)人體造成傷害，引起重金屬中毒。聯(lián)合國(guó)2013年簽署《水俁公約》，要求各締約國(guó)自2020年起，全面停止含汞產(chǎn)品的生產(chǎn)和進(jìn)出口，我國(guó)水銀溫度計(jì)將于2020年停產(chǎn)。

對(duì)于該裝置，我們采用具備PID控制功能的精密智能溫度顯示儀表作為溫度測(cè)量的顯示儀表，用Pt100鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量代替原有的水銀溫度計(jì)。這樣就避免了水銀溫度計(jì)讀數(shù)不便、測(cè)溫不準(zhǔn)確、危險(xiǎn)性大等一系列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了液系溫度實(shí)時(shí)快速測(cè)量并顯示，有利于準(zhǔn)確讀取液系沸點(diǎn)溫度。

三、數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)

該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理需要繪制折射率—組成工作曲線和沸點(diǎn)—組成的氣液平衡相圖。原有的坐標(biāo)紙繪圖方式已經(jīng)逐步淘汰，因人為誤差較大，同時(shí)作圖的準(zhǔn)確性低，最低恒沸點(diǎn)誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)的不斷普及和畫(huà)圖軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法已不能適應(yīng)時(shí)代的要求，利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已是大勢(shì)所趨[7-9]，比如Origin軟件、EXCEL軟件、MATLAB編程和AUTOCAD等繪制雙液系相圖。這樣在實(shí)驗(yàn)完成之后的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，避免因人為因素所帶來(lái)的誤差，有助于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

其中，Origin軟件是快速、靈活、易學(xué)的制圖及分析軟件，用來(lái)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和繪圖功能非常強(qiáng)大，包括很多物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。對(duì)于同一個(gè)圖形，可選用不同的方法繪制。在該實(shí)驗(yàn)中，得到的相圖準(zhǔn)確性高，能夠?qū)⒎蔷€性曲線擬合求出相應(yīng)多項(xiàng)式中的待定參數(shù)。雙液系氣液平衡相圖的實(shí)驗(yàn)中，最低恒沸點(diǎn)的確定，并不是單純地找出“最低點(diǎn)”，讓學(xué)生用理論課上學(xué)到的知識(shí)來(lái)確定恒沸點(diǎn)及相應(yīng)恒沸物的組成[1]，運(yùn)用軟件制圖更容易獲得。

因此，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果處理上，學(xué)生能夠運(yùn)用自己所擅長(zhǎng)的軟件處理各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪圖，較為方便快捷，所處理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小、得到的實(shí)驗(yàn)報(bào)告更科學(xué)、合理，有利于提高自身的綜合處理能力，為今后從事科研工作打好基礎(chǔ)。

四、廢液的回收再利用

環(huán)己烷-乙醇體系是具有正偏差的恒沸體系，用萃取分離的方法可以將環(huán)己烷-乙醇廢液分離。乙醇的萃取率可達(dá)98%以上，萃取后環(huán)己烷經(jīng)精制、乙醇經(jīng)蒸餾脫水后可以用作雙液系氣液平衡相圖實(shí)驗(yàn)。

雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)在我校開(kāi)設(shè)專(zhuān)業(yè)范圍較廣，學(xué)生人數(shù)多、批次多，不可避免地將產(chǎn)生大量的環(huán)己烷、乙醇廢液。如果能夠?qū)U液進(jìn)行分離、回收、再利用，那么不僅可以減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)也能節(jié)省一筆較為可觀的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的分析，較為詳細(xì)地討論了該項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)體系選擇、實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)、數(shù)據(jù)處理改進(jìn)、廢液回收利用等各個(gè)方面的情況。希望通過(guò)我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中的一些改進(jìn)措施，能夠?yàn)槠渌性诮滩淖珜?xiě)、裝置改造、實(shí)驗(yàn)方法改良等一系列工作中提供一定的幫助。

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