物理化學(xué)實驗的綠色低成本改進(jìn)

陳鈺，趙娣，張冰洋，劉聰，王鑫(廊坊師范學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

物理化學(xué)改革是建設(shè)物理化學(xué)一流課程的重要組成部分[1-3]，綠色低成本理念對實驗改革具有重大意義[4-6]，也是物理化學(xué)改革的重要組成部分。如凝固點降低法來測定物質(zhì)的分子量需要用到環(huán)己烷和萘，但是環(huán)己烷是一種有機(jī)化合物、有刺激性氣味的極易燃燒的液體，持續(xù)吸入對人體有很大危害；萘是一種有毒的物質(zhì)，氣味揮發(fā)到空氣中對環(huán)境也有很大破壞。同時，環(huán)己烷和萘價格也比較高。所以對實驗進(jìn)行綠色低成本改進(jìn)很有必要。

自來水是一種綠色溶劑，不但無毒無味環(huán)保綠色而且和其他溶劑相比廉價易得。葡萄糖無毒無害且廉價易得。用自來水替換環(huán)己烷，用葡萄糖替換萘，可以對凝固點降低法測定物質(zhì)分子量的實驗進(jìn)行綠色低成本改進(jìn)，符合綠色化學(xué)要求和低成本的目標(biāo)。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

凝固點降低法測定物質(zhì)的摩爾質(zhì)量是一個簡單而比較準(zhǔn)確的測定方法，當(dāng)溶液凝固析出純固體溶劑時，溶液的凝固點低于純?nèi)軇┑哪厅c，其降低值與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比。即ΔTf=Tf*-Tf=KfmB，其中Tf*表示純?nèi)軇┑哪厅c，Tf表示溶液的凝固點，mB表示溶液中溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，Kf表示溶劑的質(zhì)量摩爾凝固點降低常數(shù)。若稱取一定量的溶質(zhì)WB(g)和溶劑WA(g)，配成稀溶液，則可以通過公式MB=KfWB/ΔTfWA得出溶質(zhì)的分子量。

1.2 試劑或材料

D-(+)-葡萄糖(C6H12O6) 來自北京伊諾凱科技有限公司，自來水(分子式H2O) 來自實驗室。

1.3 儀器和表征方法

測試儀器為FPD-4A 型凝固點降低(半導(dǎo)體制冷) 實驗裝置(南京南大萬和科技有限公司)。測試條件為常溫常壓。

1.4 實驗步驟/方法

將實驗需要的軟件安裝在電腦上，把電腦與凝固點降低裝置連接好。打開裝置電源，調(diào)節(jié)功率在5 V 左右，設(shè)置合適的攪拌速度(實驗期間不能調(diào)節(jié)功率和攪拌速度)。用分析天平稱取15 g 左右的自來水加入凝固點管中，將其放入凝固點降低裝置里，蓋好蓋子，插好傳感器和攪拌棒，此時打開電腦上的千分溫度計軟件，開始運行，進(jìn)行水的凝固點的測定。待圖中出現(xiàn)第一個平臺(即水的凝固點)，取出凝固點管將其捂熱至融化后，稱取0.05 g 左右的葡萄糖加入水中，進(jìn)行測定葡萄糖溶液的凝固點，待圖中出現(xiàn)第二個平臺(即葡萄糖溶液的凝固點) 時，停止實驗，保存實驗數(shù)據(jù)、關(guān)閉儀器、切斷電源、收拾好實驗臺。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以下計算公式：

再結(jié)合實驗數(shù)據(jù)可以得出曲線圖，如圖1 所示。

圖1 水和葡萄糖水溶液的凝固點曲線圖

將數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得：

代入數(shù)據(jù)得實驗值：M葡=181.01 g·mol-1；

已知理論值：M葡=180.16 g·mol-1；

則可計算得出：絕對誤差為0.847 g·mol-1，相對誤差為0.47%。

2.2 對曲線圖的分析

將實驗樣品改進(jìn)為葡萄糖和自來水后，圖中出現(xiàn)的兩個平臺與之前的曲線圖相比更加清晰直觀、簡單明了，圖中可讀出自來水的凝固點為273.639 K，與水的理論凝固點相差不太大，葡萄糖水溶液的凝固點在曲線圖中可以讀出為273.572 K，改進(jìn)后的實驗明顯可以使結(jié)果更加準(zhǔn)確可信且結(jié)果易得，初步驗證了此改進(jìn)實驗比原實驗更加簡便。相比之下，較簡便的實驗可以使學(xué)生們對化學(xué)實驗產(chǎn)生更加濃厚的興趣，并且不再恐懼對實驗數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過多方面考慮可知此改進(jìn)實驗具有可行性。

2.3 對計算結(jié)果的分析

從誤差值看出改進(jìn)后的實驗所得葡萄糖分子量與查表得到的葡萄糖理論分子量是有一定差距的，經(jīng)過對誤差的分析可得出誤差的原因與進(jìn)行實驗時實驗室當(dāng)時的溫度濕度、葡萄糖吸濕性、自來水雜質(zhì)等有關(guān)，但此誤差值在該實驗允許的范圍內(nèi)，而且可以通過實驗時準(zhǔn)確地操作來盡量減小。從計算量角度分析，改進(jìn)后的實驗計算量較小，可以讓學(xué)生們將此次實驗的重心放在操作上，更好鍛煉了學(xué)生們的動手能力。另外，可以引導(dǎo)學(xué)生們對實驗產(chǎn)生的誤差進(jìn)行討論分析，鍛煉學(xué)生們的實驗分析思維。改進(jìn)后的實驗有利于學(xué)生們各種能力的發(fā)展，所以可以進(jìn)一步確定此實驗用葡萄糖和水來代替環(huán)己烷和萘是可行的。

2.4 對減小實驗誤差的分析

為減小葡萄糖吸濕性的誤差，可以將未稱量的葡萄糖分為幾個塑封袋密封保存，用后將剩余葡萄糖及時封袋以備下次實驗使用，稱量好的葡萄糖及時放入凝固點測試儀中；其次由于儀器本身的規(guī)格不同也會產(chǎn)生誤差；以上所述的誤差可以通過規(guī)范操作來減小。為了達(dá)到更加綠色環(huán)保的理念，改進(jìn)后采用自來水作為溶劑。相比環(huán)己烷，雖然自來水中有各種雜質(zhì)會影響其凝固點的準(zhǔn)確性，但從數(shù)據(jù)以及曲線圖可以得出這幾種誤差都不會對實驗結(jié)果有太大影響，所以改進(jìn)實驗可以順利進(jìn)行。

2.5 對改進(jìn)實驗整體的可行性進(jìn)行分析

此改進(jìn)基于綠色廉價等理念，以實驗的可操作性為原則探究出合適的樣品(葡萄糖和自來水) 代替環(huán)己烷和萘，改進(jìn)后的樣品無環(huán)己烷和萘的刺激性氣味。環(huán)己烷和萘的刺激性氣味長時間吸入會對人體有非常大的危害，改進(jìn)后的實驗避免了環(huán)己烷和萘的這種致癌性危害，避免長時間吸入而帶來的身體不適，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)興趣和精力。所以改進(jìn)實驗后不僅保護(hù)了實驗環(huán)境，更重要的是保護(hù)師生的健康，使學(xué)生們更好的生活和學(xué)習(xí)進(jìn)而更加喜歡實驗。雖然自來水中雜質(zhì)較多，但是經(jīng)過大量嘗試以及對多次實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)自來水中的雜質(zhì)對此實驗結(jié)果影響較小，產(chǎn)生的誤差在可接受的范圍內(nèi)。此改進(jìn)的另一個優(yōu)點是成本較低，與改進(jìn)前的樣品環(huán)己烷和萘相比，自來水可以直接在實驗室獲得，葡萄糖在購買時同樣比較便宜而且購買時比較容易，不像某些毒性藥品在購買時需要經(jīng)過各種審批才可以到達(dá)實驗室供使用。所以在對此實驗的綠色低成本改進(jìn)是成功的，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié)語

改進(jìn)后的實驗經(jīng)過多次嘗試，對多次結(jié)果進(jìn)行定性分析，對多次實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)誤差值都在此實驗允許的范圍內(nèi)，而且操作比改進(jìn)前更加便捷。此次改進(jìn)的另一大特色是用自來水作為溶劑、葡萄糖作為溶質(zhì)后，使得實驗樣品廉價易得、實驗更加符合綠色化學(xué)發(fā)展理念，有利于確保實驗室環(huán)境衛(wèi)生，很好的響應(yīng)了國家對環(huán)境保護(hù)以及綠色化學(xué)的號召。