雙液系氣—液平衡相圖實驗的改進與探索

趙洪波 喬秀麗 馬松艷

（綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

物理化學(xué)實驗是大學(xué)化學(xué)實驗中的重要實驗[1]，它是通過物理學(xué)的原理、儀器和設(shè)備并利用他們的原理和技術(shù)來研究化學(xué)問題，[2]是探求物質(zhì)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的一門科學(xué)。

基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗雙液系氣—液平衡相圖實驗是一個比較經(jīng)典的實驗，該實驗需記錄的數(shù)據(jù)量較大，如折射率、不同組成溶液的沸點等，消耗時間長，同時儀器操作和數(shù)據(jù)處理都非常復(fù)雜。該實驗要求學(xué)生掌握雙液系氣—液相組成的折射率測定，阿貝折光儀的使用及繪制沸點-組成圖等等。在具體的實驗中發(fā)現(xiàn)還有一些不足和需要進一步改進的地方，為了提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，我們針對該實驗進行以下改革。

一、實驗體系的改進

之前大部分學(xué)校該實驗使用的是異丙醇-環(huán)己烷體系。高濃度的異丙醇蒸氣對呼吸道、眼的黏膜有刺激作用，麻醉作用明顯，能損傷視網(wǎng)膜及視神經(jīng)，具有微毒性，它的麻醉性、毒性以及對呼吸道黏膜的刺激都要高于乙醇。一些高校多數(shù)采用了環(huán)己烷－異丙醇體系[3]或乙酸乙酯-乙醇體系[4]進行實驗。為了避免其對實驗環(huán)境和師生健康的影響，我們研究后使用了環(huán)己烷-乙醇體系加以實驗，該體系對拉烏爾定律具有正偏差，具有最低恒沸點，是完全互溶的非理想雙液系，并且環(huán)己烷與乙醇的折光率相差較大，所以按不同比例配制的溶液折光率會顯著發(fā)生變化，容易區(qū)分，用阿貝折光儀測定時誤差較小，這樣繪制的折光率-組成圖較為準(zhǔn)確。曾經(jīng)也有一些院校選用乙酸乙酯-乙醇體系開展實驗，而乙酸乙酯是無色透明液體，低毒性，有甜味，有刺激性氣味，乙酸乙酯-乙醇體系會揮發(fā)出較大的氣味，同樣會影響師生健康，同時廢液需精餾回收，操作復(fù)雜，直接排放會污染環(huán)境。我們選擇的環(huán)己烷-乙醇體系不同組成的溶液沸點低，所需實驗時間短，節(jié)省時間，容易觀察，并且成本低，利于環(huán)保。

二、實驗裝置的改進

（一）測溫儀器的改進。該實驗測定不同組成溶液的沸點時原來一直采用水銀溫度計測量方法，測量時水銀溫度計下方的液泡應(yīng)與待測溶液充分接觸，且玻璃泡不能碰到蒸餾燒瓶的側(cè)壁或底部；當(dāng)每個待測樣品加熱完畢，在溫度計達到穩(wěn)定狀態(tài)后直接讀取它上面的刻度。但是水銀溫度計讀數(shù)時需要其達到穩(wěn)定狀態(tài)，不同的人讀數(shù)會有不同的誤差，而且水銀溫度計的危險程度非常大，如果實驗時學(xué)生不小心打碎溫度計，溫度計中的汞揮發(fā)到空氣中被人吸入會在人體內(nèi)累積，造成汞的重金屬中毒，對人體造成無法想象的傷害。

聯(lián)合國自2020年起禁止各締約國生產(chǎn)和進出口含汞產(chǎn)品，為遵守2013年10月他們簽署的《關(guān)于汞的水俁公約》，我國將于2020年停止生產(chǎn)水銀溫度計。因此，對于雙液系氣—液平衡相圖實驗的裝置，使用水銀溫度計往往會產(chǎn)生的一些問題，如讀數(shù)不方便，測溫有誤差及危險性大等問題。為了替代水銀溫度計，我們使用與數(shù)字恒流電源一體的數(shù)字溫度計，在待測溶液中插入其自帶的電阻傳感器測量溶液溫度。使用數(shù)字溫度計能快速測量并顯示待測液的溫度，使用非常方便。

（二）加熱儀器的改進。該實驗測定環(huán)己烷-乙醇體系不同組成溶液的沸點時要進行加熱。原來該實驗一直是采用酒精燈這種最簡單經(jīng)濟的加熱方式，但實驗室空氣會被酒精燃燒產(chǎn)生的廢煙污染，從而對老師學(xué)生的身體健康不利，同時該實驗采用的試劑都是可燃性的，如果使用不當(dāng)易引起火災(zāi)。后來在實驗中我們曾采用電加熱絲來加熱，但實驗后發(fā)現(xiàn)，電熱絲加熱雖然使用方便、快捷，但在使用時學(xué)生如果操作不當(dāng)，加熱絲很容易因電壓過高而燒斷，使實驗停止還得重新操作，浪費師生的時間。為此我們引入了FDY雙液系沸點測定儀，整體裝置包括WLS－2數(shù)字恒流電源，測量范圍：0～2A；0～15V，玻璃沸點儀（含加熱器），采用數(shù)字恒流電源及使用加熱棒，加熱電源為恒流輸出方式，最高電壓15V，沒超過電加熱絲的額定電壓，有短路、過載軟、硬件保護功能，因此加熱安全，并且可以有效防止燒斷加熱棒。實驗時要求傳感器與加熱棒不能讓觸碰防短路，為此我們又自制了玻璃套管，將加熱棒放進去，這樣就不用擔(dān)心實驗時傳感器與加熱棒的偶然觸碰了，雖然我們的實驗員老師制作玻璃套管很辛苦，但學(xué)生使用后效果很好。

三、數(shù)據(jù)測量與處理的改進

（一）數(shù)據(jù)測量因樣而異。該實驗通過測定不同組成樣品的沸點及通過測定不同待測樣品達到氣－液兩相平衡時氣相和液相的折射率來求得氣－液平衡兩相的濃度，最終做出沸點-組成圖，即T－X相圖。在T－X相圖中，兩端點的樣品一個是乙醇，另一個是環(huán)己烷，都是純物質(zhì)，通過學(xué)習(xí)物理化學(xué)理論課程我們知道這2個樣品達氣－液兩相平衡時，其兩相的折射率應(yīng)該相等，所以氣－液相濃度相等（x＝y(tǒng)），因此實驗時這兩種純物質(zhì)只需測其沸點，各自兩項的折射率不用測量。但由于學(xué)生在預(yù)習(xí)實驗時沒有太注意這兩個點，所以大多數(shù)學(xué)生在測完這2個樣品的沸點后都沒有認真思考就著手測量它們氣、液兩相的折射率，結(jié)果由于各種誤差，他們測出的這兩種純物質(zhì)氣、液兩相折射率都不相等，從而使氣－液平衡兩相的濃度不相等，最后做出的T－X相圖兩端是開口的而不是封閉的，不僅浪費了時間，還使數(shù)據(jù)處理失敗。這時他們都來問老師為什么會出現(xiàn)這種情況。為避免屢次發(fā)生這類現(xiàn)象，在課前預(yù)習(xí)時我們就提醒學(xué)生同時在實驗講義中也設(shè)置了重點提示標(biāo)志，結(jié)果表明，這些舉措使這種錯誤率大大降低。

（二）繪圖方式的改進[5,6]。該實驗由于要繪制折射率－組成關(guān)系曲線，并且據(jù)此找到氣液相組成后要繪制氣－液平衡相圖，因此需要測定和處理的數(shù)據(jù)非常多。以前我們采用坐標(biāo)紙繪圖，但隨著科技的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法方式已經(jīng)逐步淘汰，因人為作圖誤差較大，因此我們逐漸采用計算機作圖。由于計算機處理數(shù)據(jù)方便快捷[7,8]，準(zhǔn)確可靠，功能強大，因此一些化學(xué)、數(shù)學(xué)分析軟件的應(yīng)用在物化實驗中大大減少了人工處理數(shù)據(jù)的麻煩，提高了分析數(shù)據(jù)的可靠程度，提高了實驗效率。

近年來，用于圖形處理的軟件越來越多，很多軟件已經(jīng)商業(yè)化，如微軟公司的 Excel、OriginLab公司的Origin等。其中，Excel軟件主要利用電子表格來進行簡單計算、處理圖表及分析數(shù)據(jù)等等。同WORD表格相比，Excel表格可迅速制作出比較規(guī)范的表格。同時只要在Excel中的每一個表格中輸入各種數(shù)據(jù)，輸入所需公式，系統(tǒng)就可以非常方便的對指定的表格中的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的計算，還可方便地選定數(shù)據(jù)繪制圖形。并且學(xué)生在大一時都學(xué)過Excel電子表格的應(yīng)用，所以使用起來也非常感興趣。在該實驗中，通過輸入數(shù)據(jù)得到折射率－組成關(guān)系曲線的同時還能對非線性曲線進行擬合從而求出相應(yīng)的一些參數(shù)。這種擬合在其他實驗中用處很大，如丙酮碘化反應(yīng)速度常數(shù)的測定等等[9]。

同時在雙液系氣液平衡相圖的這個實驗中，除了通過作圖找到雙液系的最低恒沸點外，還要根據(jù)物理化學(xué)理論課程找到相應(yīng)的最低恒沸物的組成[10]。該點組成通過Excel軟件繪圖就更容易找到。因此，使用學(xué)生熟悉的軟件來處理他們自己得出的實驗數(shù)據(jù)并繪圖，不但實驗數(shù)據(jù)誤差小、處理數(shù)據(jù)更加方便快捷，同時利用軟件繪圖后會使得出的實驗報告更科學(xué)、準(zhǔn)確，同時也使他們更有成就感，增強了他們的自信心，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，為他們將來從事科學(xué)研就及進行相關(guān)工作打下了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)語

我們從實驗體系、實驗裝置及數(shù)據(jù)處理方面對熱力學(xué)實驗雙液系氣—液平衡相圖實驗的進行了改進及相關(guān)探索，實踐結(jié)果證明改進后使師生的健康有了保證，消除了中毒及火災(zāi)隱患，節(jié)省了學(xué)生更多的時間，同時提高了學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)新思維能力[11,12]。同時改進后使該實驗的課程教學(xué)更加符合我院化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，也培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及科研探究能力。