基于經(jīng)典實驗的教學(xué)改革模式探討
——以二元液系氣液平衡相圖實驗的改進(jìn)為例

熊輝，吳映輝，吳貝娜，梅付名，龔躍法

華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074

實驗教學(xué)是一流本科人才實踐能力及創(chuàng)新精神培養(yǎng)的一個重要支撐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)具有環(huán)保觀念的創(chuàng)新拔尖人才也是大學(xué)實驗教學(xué)的重要任務(wù)?；瘜W(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的中心學(xué)科，也是我校生命、材料、航空、能源、光電、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等工程學(xué)科的創(chuàng)新基礎(chǔ)；化學(xué)實驗教學(xué)也成為培養(yǎng)工科學(xué)生創(chuàng)新觀念的首要環(huán)節(jié)，同時也是以工科為主的綜合研究型大學(xué)一直關(guān)注的培養(yǎng)問題。通過化學(xué)實驗教學(xué)，可以實現(xiàn)應(yīng)用拔尖人才的培養(yǎng)，拓展學(xué)生的學(xué)科視野，強(qiáng)化復(fù)合交叉創(chuàng)新體系；而且化學(xué)實驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)工科學(xué)生從化學(xué)的觀點和角度去思考挑戰(zhàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生以實驗需求為導(dǎo)向開發(fā)新方法、新實驗的熱情和能力?；A(chǔ)化學(xué)實驗“雙液系氣液平衡相圖”既是高校物理化學(xué)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少的一個經(jīng)典驗證性實驗[1,2]，也是化工單元操作實驗中相平衡原理的理論基礎(chǔ)[3,4]。但這個實驗存在基礎(chǔ)理論抽象難懂、操作過程復(fù)雜、試劑損耗量大、測量數(shù)據(jù)多及數(shù)據(jù)處理結(jié)果不理想等難題，因此化學(xué)基礎(chǔ)理論薄弱的工科學(xué)生在有限的4個學(xué)時內(nèi)往往難以得到完整的實驗數(shù)據(jù)，80%學(xué)生無法在規(guī)定的4個學(xué)時完成整個實驗。而且實驗過程中也存在可操作性不強(qiáng)、沸點判斷不準(zhǔn)確、實驗成功率低、實驗試劑需求量大等問題；這些實驗問題嚴(yán)重打擊了工科學(xué)生的實驗積極性，降低了實驗教學(xué)效果，直接影響了工科學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。通過分析總結(jié)學(xué)生實驗存在的問題，結(jié)合多年的工科專業(yè)實驗教學(xué)經(jīng)驗，對這一經(jīng)典實驗進(jìn)行了全面改進(jìn)。從實驗體系的選擇、實驗裝置的改進(jìn)、實驗溶液的配制以及實驗數(shù)據(jù)的測量等方面進(jìn)行了綜合性探索，加強(qiáng)對工科學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：沸點儀(自制)、WAY-2S型阿貝折射儀(上海光學(xué)儀器廠)、調(diào)壓變壓器(上海精益電氣有限公司，0.5kVA)、CS501型超級恒溫水浴(重慶試驗設(shè)備制造廠)、熱電阻溫度計、移液管、電吹風(fēng)等。

試劑：環(huán)己烷、乙醇、正丙醇、丙酮(均為分析純，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、去離子水(自制)。

1.2 實驗步驟

配制環(huán)己烷(正丙醇)摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的二相混合乙醇(水)體系。測定九種已配制溶液及其純樣品在20 °C恒溫下的折光率，提前繪制兩種體系摩爾含量折光率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。在沸點儀中加入待測溶液，溫度計浸沒于溶液液面下方約1.5 cm處，注意避免溫度計與加熱絲直接接觸，同時加入沸石防止液體加熱過程中暴沸；然后打開直管冷凝器的冷卻循環(huán)水，加熱待溶液沸騰穩(wěn)定后，分別吸取液相和氣相冷凝液測定其折光率，同時記錄待測溶液沸點[5]。

1.3 實驗體系的選擇

實驗教學(xué)過程中為了讓學(xué)生深入理解氣液相平衡知識點，一般選擇具有最低恒沸點的二元液相體系。乙醇-環(huán)己烷或者異丙醇-環(huán)己烷體系是目前大部分高校采用的實驗體系，也有采用乙醇-乙酸乙酯和正丙醇-水體系的[6-8]。采用有機(jī)非水體系，在實驗操作過程中不加提醒的話學(xué)生常常容易使用蒸餾水進(jìn)行清洗，而水的引入會使待測體系由雙液系變?yōu)槿M分體系，帶來實驗的誤差。相對而言正丙醇-水體系毒性較低，也降低了有機(jī)試劑使用量和有機(jī)廢液排放量，更符合綠色環(huán)保要求；同時鑒于該體系的沸點較高，試劑揮發(fā)性較弱，因此取樣操作測量過程中帶來的誤差也會更小。圖1是學(xué)生實驗前繪制的水-正丙醇體系的折光率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，根據(jù)學(xué)生實驗數(shù)據(jù)(表1)繪制的水-正丙醇相圖(圖2)，體系達(dá)到氣液平衡時的正丙醇?xì)庀嘟M成(0.8826)和液相組成(0.8266)之間的誤差為6.7%；根據(jù)圖2的結(jié)果對比表2中的文獻(xiàn)值可以看出，實際測定的氣液平衡組成與文獻(xiàn)值0.712[9]誤差也比較大，達(dá)到16.1%。而且繪制的相圖結(jié)果也不對稱。

表2 二元恒沸體系沸點及組成

圖1 水體系正丙醇摩爾含量折光率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

圖2 傳統(tǒng)裝置繪制的水-正丙醇相圖

采用乙醇-環(huán)己烷體系進(jìn)行二元液系相平衡實驗對照。相比水-正丙醇體系而言，從乙醇體系環(huán)己烷摩爾含量折光率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(圖3)可以看出，乙醇-環(huán)己烷兩相體系折光率差別更大；體系達(dá)到氣液平衡時的環(huán)己烷氣相組成(0.5347)和液相組成(0.5415)之間的誤差為1.3%，基本相同；根據(jù)表3的結(jié)果對比表1中的文獻(xiàn)值可以看出，實際測定的氣液平衡組成與文獻(xiàn)值0.555[10]誤差也比較小，只有2.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水-正丙醇體系16.1%的誤差。根據(jù)學(xué)生實驗測量數(shù)據(jù)(表3)繪制得到乙醇-環(huán)己烷體系相圖(圖4)，相對水-正丙醇體系而言，乙醇-環(huán)己烷體系的相圖結(jié)果更加完美對稱。

圖4 傳統(tǒng)裝置繪制的環(huán)己烷-乙醇相圖

表3 傳統(tǒng)裝置測定環(huán)己烷-乙醇體系沸點及折光率數(shù)據(jù)

圖3 乙醇體系環(huán)己烷摩爾含量折光率標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

表1 傳統(tǒng)裝置測定水-正丙醇體系沸點及折光率數(shù)據(jù)

1.4 實驗加熱裝置的改進(jìn)

傳統(tǒng)的二元液系相平衡實驗測定裝置存在諸多不足，例如加熱方式不合理、取樣過程不便捷、沸騰平衡時間長、試劑取用消耗量大等問題[11]，我們期望訓(xùn)練工科學(xué)生從他們的角度對沸點儀進(jìn)行合理的改進(jìn)，達(dá)到更方便、更實用和更安全的目的。

其中加熱形式的選擇是關(guān)鍵。水浴間接加熱[12]是比較安全的一種方法，但是只適用于兩相體系沸點不高的情況，而且加熱過程明顯滯后。使用電熱套加熱[13]溶液能夠快速沸騰，沒有明顯滯后，但是這種加熱方式也有缺陷：加熱不均勻，平衡過程長，沸點不易穩(wěn)定讀取[14]。在溶液體系中內(nèi)置電熱絲進(jìn)行加熱方便快捷，沒有滯后，但在實驗操作過程中往往因?qū)W生對實驗步驟不熟悉，又想加快實驗進(jìn)程，易導(dǎo)致加熱電壓過高，或者加熱絲熔斷，極易發(fā)生安全事故。這些問題的提出是對工科學(xué)生的實驗應(yīng)用創(chuàng)新能力的考驗，讓工科學(xué)生基于物理原理通過工程技術(shù)手段來改善經(jīng)典化學(xué)實驗的現(xiàn)狀；基于以上考慮，我們提出設(shè)計理念，讓工科學(xué)生結(jié)合實驗?zāi)康淖灾屏说蛪汉懔髦悄芗訜犭娫?，其加熱電流不超過加熱絲的額定安全電流(2 A)，并且加熱電壓控制在15-20 V范圍手動調(diào)節(jié)，避免了學(xué)生在實驗過程中操作不當(dāng)帶來的安全隱患。同時加熱電源內(nèi)嵌labview軟件編輯的溫度監(jiān)控程序，實時對比測溫單元的反饋，當(dāng)溶液溫度沒有明顯上升(升溫幅度小于0.1 °C·min-1)或者溶液溫度超過純?nèi)軇┑淖罡叻悬c時，程序自動切斷電源停止加熱，進(jìn)一步杜絕了安全隱患。

圖5是我們實驗中自行研制的低壓恒流智能加熱控制器，兩塊顯示屏分別顯示溶液溫度和加熱電壓。測溫探頭連接的是測量精度達(dá)到0.01 °C的熱電阻溫度計，通過插入待測溶液中實時顯示實驗溫度變化?？刂破鞯募訜峤涌谂c溶液中的電加熱棒相連，通過控制器中間的旋鈕調(diào)節(jié)加熱電壓，顯示精度0.01 V。通過這些改進(jìn)既在實驗教學(xué)過程中體現(xiàn)了學(xué)科交叉的重要性，又在工科學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)上佐證了創(chuàng)新性的不可或缺。圖6是我們的實驗裝置改進(jìn)示意圖。

圖5 低壓恒流智能加熱控制器

圖6 實驗裝置改進(jìn)示意圖

1.5 待測溶液配制測量過程的改進(jìn)

通常條件下待測溶液是由學(xué)生自己逐一配制，用完后的混合試劑只能作為廢液處理。如果實驗教學(xué)過程中不采取有效措施控制的話，學(xué)生使用試劑消耗量將是巨大的。目前普遍采用以下兩種方式來解決上述問題。

1.5.1 依次添加法

在沸點儀中首先提前加入25 mL環(huán)己烷，然后依次滴加另一組分乙醇于沸點儀中，使其濃度逐步增加。測完一組之后倒出溶液，烘干沸點儀接著重新添加25 mL乙醇，再逐步滴加另一組分環(huán)己烷[15]。整個實驗過程大約需要100 mL有機(jī)試劑，10次實驗會產(chǎn)生1 L廢液。這種方法不需準(zhǔn)備大量的試劑瓶，實驗過程便捷，實驗環(huán)境整潔，但試劑的消耗和廢液產(chǎn)生不可避免，實驗重復(fù)配制過程漫長，而且溶液濃度逐步平均增加，最后繪制的相圖實驗數(shù)據(jù)分布不合理。

1.5.2 提前配制法

由實驗技術(shù)人員事先配制好一系列濃度的待測溶液，每個濃度測定完成后倒回原瓶。由于試劑配制使用的時間比較長，溶液存在揮發(fā)損耗，需不定期通過添加相應(yīng)純品調(diào)整溶液濃度[16]。這種方法的好處：雖然單次實驗使用溶液較多250 mL，但是10次實驗仍然只消耗250 mL，幾乎沒有試劑損耗，實驗產(chǎn)生的廢液量也最小。因為每次實驗結(jié)束后只需檢查一系列溶液的濃度，補(bǔ)充部分消耗，是最節(jié)省試劑的方法。缺點在于實驗桌面試劑較多，學(xué)生使用容易污染試劑，甚至混用不同濃度不同批次試劑，溶液濃度有誤差，導(dǎo)致測定的實驗結(jié)果出現(xiàn)誤差。

1.5.3 改進(jìn)后的溶液配制方法

我們綜合以上兩種方法優(yōu)點，提出以下溶液配制過程的改進(jìn)。首先準(zhǔn)確量取環(huán)己烷20.0 mL，測定其沸點后，通過事先計算的結(jié)果往其中補(bǔ)充一定體積的乙醇，逐步調(diào)整升高其中乙醇的濃度，連續(xù)進(jìn)行測定。具體操作如下：

(1)一組學(xué)生往20.0 mL環(huán)己烷中移取滴加0.5 mL乙醇，在溶液沸騰后記錄氣液平衡時沸點，停止加熱后分別快速吸取液相和氣相冷凝液測定其折光率。繼續(xù)往前述溶液中補(bǔ)加1.0、1.5、2.0、4.0 mL乙醇，重復(fù)以上步驟。

(2)另外一組學(xué)生往20.0 mL乙醇中移取滴加1.5 mL環(huán)己烷，加熱記錄其沸點并快速吸取液相和氣相冷凝液分別測定其折光率。再繼續(xù)補(bǔ)加環(huán)己烷2.5、3.0、5.0 mL，重復(fù)以上步驟。

(3)根據(jù)前兩組學(xué)生測定的環(huán)己烷和乙醇混合溶液氣液相冷凝液折光率數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)工作曲線上查出對應(yīng)的環(huán)己烷摩爾分?jǐn)?shù)，見表2；兩組同學(xué)在同一時間分別進(jìn)行不同溶液濃度的沸點測定，最后數(shù)據(jù)合并處理成一張完整的相圖，見圖4。這樣不但實驗數(shù)據(jù)分布合理，繪制相圖的數(shù)據(jù)點分布均勻；而且每次實驗所需的試劑量減少一半，實驗時間也縮短一半；學(xué)生避免了枯燥重復(fù)的實驗過程，加強(qiáng)了實驗人員的分工協(xié)調(diào)，培養(yǎng)了學(xué)生的合作交流能力。

1.6 測量方法的改進(jìn)

根據(jù)工科專業(yè)學(xué)生的建議，采用熱電阻溫度計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱電偶溫度計，實驗測量的精度提高，溫度計使用壽命延長，學(xué)生讀數(shù)的誤差減少。通過工科專業(yè)學(xué)生的不斷實踐改進(jìn)，新裝置集成了高精度數(shù)字溫度計和數(shù)顯低壓智能電源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)舊裝置的測溫元件和調(diào)壓變壓器系統(tǒng)，用較低成本實現(xiàn)了實驗裝置的智慧化升級，加強(qiáng)了實驗安全性，提高了實驗成功率，降低了實驗操作誤差。通過傳統(tǒng)舊裝置和改進(jìn)新裝置的原始實驗數(shù)據(jù)對比(表3和表4)，表明新舊裝置測量的實驗結(jié)果雖然比較接近，但是新裝置測量體系達(dá)到氣液平衡時的環(huán)己烷氣相組成(0.5534)和液相組成(0.5449)與表2中的文獻(xiàn)值0.555[10]誤差更小，分別為0.3%和1.8%，同時新裝置的溫度測量精度提高一個數(shù)量級。圖7是根據(jù)新裝置測定實驗數(shù)據(jù)繪制的環(huán)己烷-乙醇相圖，也表明新裝置的測定結(jié)果接近理想狀態(tài)。

圖7 改進(jìn)新裝置繪制的環(huán)己烷-乙醇相圖

表4 改進(jìn)新裝置測定環(huán)己烷-乙醇體系沸點及折光率數(shù)據(jù)

2 結(jié)語

從實驗體系、實驗裝置、試劑配制、數(shù)據(jù)測量等方面探討了雙液系氣液平衡相圖實驗的綜合改進(jìn)措施。我們聯(lián)合工科專業(yè)實驗學(xué)生創(chuàng)新研制的智能加熱控制器，大大降低了沸點儀中電加熱絲的損壞率和實驗安全隱患，用較低成本實現(xiàn)了實驗裝置的智能化升級換代；試劑配制方式的改進(jìn)顯著降低了實驗操作重復(fù)性，減少了有機(jī)試劑消耗量，提高了相圖的理想狀態(tài)。在工科專業(yè)的基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)過程中，我們對比了傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法的實驗教學(xué)效果，實踐表明改進(jìn)的措施提高了實驗重現(xiàn)性和準(zhǔn)確性，改善了化學(xué)實驗安全環(huán)境，降低了實驗操作誤差。基于經(jīng)典實驗的創(chuàng)新教學(xué)模式，對培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)及提高學(xué)生交叉創(chuàng)新能力具有引導(dǎo)作用。雙液系氣液平衡相圖實驗的改進(jìn)思路拓展了本科基礎(chǔ)實驗傳統(tǒng)單一思維模式，改善了相圖實驗條件，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)環(huán)保理念；通過化學(xué)專業(yè)和其他工科專業(yè)共同探討實驗方法及內(nèi)容改進(jìn)的探索實踐，進(jìn)一步提高了基礎(chǔ)化學(xué)實驗吸引力，培養(yǎng)了工科學(xué)生綜合創(chuàng)新潛力。同時這一改進(jìn)措施也讓我校醫(yī)學(xué)院及生命、材料等工程學(xué)科沒有提前學(xué)習(xí)相應(yīng)化學(xué)知識的工科學(xué)生，在化學(xué)實驗?zāi)芰Σ粡?qiáng)的條件下能夠取得良好的實驗效果，達(dá)到實驗教學(xué)與應(yīng)用實踐相輔相成的目標(biāo)。