凝固点降低法测定摩尔质量实验的优化改进

王 前

(首都师范大学化学系，北京 100048)

凝固点降低法测定摩尔质量实验作为一项经典的物理化学基础实验，已有百年历史.该实验基于稀溶液的依数性，利用简单的实验装置，可以计算物质的摩尔质量.此外，在实际的科学研究及生活中，凝固点降低法还可以用来确定活度系数[1-4]、缔合系数[4-5]、电离度[6]以及牛奶中含水量的测定[7].经典的凝固点降低测定实验装置存在以下问题：寒剂温度不易控制、起晶困难等.目前，国内外对该实验装置的改进有很多，但多数改进引入复杂或昂贵的仪器设备，比如低温恒温槽[8]、定制螺旋盘管[9]、加热套管[10-11]、搅拌传动装置[12]等.虽然以上改进方法能解决问题，但所使用的装置较为复杂，有些设备还需定制，且增加了维护难度.

针对经典实验装置，本文在以下两个方面进行了改进：

(1) 在烧杯外部设置一半封闭的泡沫保温层，对寒剂起保温作用，同时在开口处还可以观察烧杯内部的凝固点管，

(2) 将此装置放置于有感温探头的磁力搅拌器上，使用磁力搅拌器控制凝固点管内的搅拌速度，同时利用其感温探头监测寒剂温度的变化.

装置改进后，不仅操作简单，而且实际实验结果准确性和重复性都有所提高.

1 实验装置的改进及说明

改进前，本校使用的实验装置如图1a[13]，改进后的装置如图1b.

在原有装置的基础上，制作了半封闭的泡沫保温层，套在烧杯外部，并留出观察烧杯内凝固点管的位置.这样，既可以利用泡沫的保温性控制寒剂温度在短时间内基本保持不变，又便于观察凝固点内液体的状态.将此装置搭建好后，置于转速可调、带热电偶的磁力搅拌器上，替代之前老式的、不能定量控制转速、不能测温的磁力搅拌器，并以搅拌器上的感温探头替代之前的酒精温度计，监测寒剂温度变化.本装置采用的磁力搅拌器型号为IKA RCT BASIC.

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

环己烷(AR)、萘(AR)、JDW-3F精密电子温差测量仪(南京大学应用物理研究所)、AR1140电子天平(美国奥豪斯仪器有限公司)、移液管、冰块、纯净水.

2.2 实验步骤

2.2.1仪器安装及预热

按图将凝固点测定仪安装好，并将感温探头通过胶塞插入凝固点管.凝固点管、感温探头均须清洁和干燥.打开“精密电子温差测量仪”的电源开关，预热5 min.

1.凝固点管 2.感温探头 3.搅拌磁子 4.空气套管 5.酒精温度计 6.寒剂 7.搅拌器 8. 感温探头(连接搅拌器) 9. 磁力搅拌器图1 凝固点测定仪示意图(a改进前， b 改进后)

2.2.2调节寒剂的温度

调节冰水的量控制寒剂的温度低于凝固点2 ℃左右.间断地补充少量碎冰，使寒剂温度基本保持不变.

2.2.3纯溶剂凝固点的测定

(1)将准备好的凝固点测定仪整套装置放在磁力搅拌器上.用移液管准确吸取25 mL环己烷，加入凝固点管内，并向管内放置一小磁子，将盛有环己烷的凝固点管直接插入寒剂中，开动搅拌.

(2)待凝固点管内溶液稍冷后，将凝固点管自寒剂中取出，将管外冰水擦干，放入空气套管内.待凝固点管内有固体析出时，按下“精密电子温差测定仪”上的“置零”按钮，使仪器温差数值显示为零.

(3)由计算机桌面上“凝固点降低法测摩尔质量”图标进入凝固点测量程序，点击“参数设定”进行测量参数设置.横轴设定6 min.纵轴设定范围在近似凝固点上下0.3 ℃.数据采集周期为3 s.确定设定参数，关闭“参数设定”，进入“开始实验”界面.

(4)取出粗测后的凝固点管，用手温热，使管中的固体完全熔化.再将凝固点管直接插入寒剂中，开动搅拌器，使溶剂冷却.稍后取出擦干放入空气套管内，使环己烷温度均匀的逐渐降低.当温度降至接近所设纵坐标范围时，点击“开始实验”，按屏幕提示操作，开始实验记录、保存数据.

(5)观察绘出的测量曲线，待有过冷现象出现，注意保持寒剂温度，待凝固点测量曲线出现一段较稳定温度平台后，停止实验.

(6)重复以上步骤，判断3次，要求测定的溶剂凝固点绝对平均误差小于±0.003 ℃.

2.2.4溶液凝固点的测定

取出凝固点管，使管中的环己烷熔化，加入精确称量的0.2～0.3 g萘.待萘全部溶解后，按溶剂测量方法，先测量近似凝固点，修改图形坐标参数，再精确测定溶液凝固点.注意待溶液过冷后，测定较长时间的溶液液相-溶剂固相平衡温度下降曲线，以便外推溶液的凝固点.重复3次，要求其绝对平均误差小于±0.003 ℃.

3 结果与讨论

由于该装置在寒剂保温方面和转速方面进行了改进，因此，我们对这两方面的改进进行了实验论证，结果如下.

3.1 保温层保温效果测定

实验对比了改进前后装置的保温效果，实验中所使用的精密温差测量仪可以用来测定温度随时间变化.将寒剂温度调至4 ℃左右，打开磁力搅拌器，使寒剂搅拌均匀.在寒剂中插入感温探头，打开数据采集软件，由于温差测量仪显示数值并非当前温度，为方便记录，将初始温度附近置为零点，监测温度变化.结果如图2所示，经过数据线性拟合，得到改进前装置温度-时间曲线的斜率为0.002 05 ℃/s，而改进后装置的温度-时间曲线斜率为0.000 71 ℃/s.斜率相差2.9倍，也就是说实验采集数据的6 min内，改进前装置的寒剂升温0.74 ℃，改进后装置寒剂升温0.26 ℃.改进后的实验装置保温效果更好，寒剂的温度基本保持不变.对比使用低温恒温槽的情况，打开机器使温度降至设定温度并维持稳定需要15 min左右，而且装置搭建较为复杂.本实验装置只在原有设备的基础上稍加改进，提高了保温效果.初调水温也很容易，通常的学生实验中，将寒剂温度从室温调至4 ℃只需10 min左右.所以，该装置非常适合用于学生实验.

图2 室温(25 ℃)下，改进前后实验装置的保温效果(a 改进前，b改进后)

3.2 转速对实验结果的影响

搅拌主要影响三个方面.一方面，当环己烷开始凝固时，首先会在容易成核的地方先结晶出晶体，如果此时搅拌不够及时，会导致体系内部温度不均匀；另一方面，环己烷凝固的同时会放出热量，搅拌力度不够的话，也会导致体系温度不均匀.搅拌速度的控制应当使体系内部温度均匀，同时剧烈的搅拌不会影响体系的稳定；最后一方面，调节凝固点管内磁子转速还能起到减少过冷状态的作用.具体操作方式就是：当体系温度低于近似凝固点0.2～0.3 ℃时急速搅拌，以结束过冷[14].本工作对搅拌速度的调节进行了探究，进一步量化明确了具体的搅拌速度.

基于改进的实验装置，本文探讨了凝固点管内搅拌速度的最优条件.在纯溶剂冰浴温度为4 ℃下，按照2.2的实验方法测定环己烷的凝固点，析晶前搅拌速度分别为400、500、600、700、800 r/min，析晶后速度提高50 r/min，分别为450、550、650、750、850 r/min.重复测定3次以上，从它们的步冷曲线读取各搅拌速度下溶液的凝固点，分别计算出在不同搅拌速度下萘的摩尔质量.数据见表1.

从表1中的数据和实验操作过程中所观察到的现象进行分析，当初始搅拌速度为500 r/min、过冷后调到550 r/min时，测定溶液的凝固点是最佳的.

3.3 实际实验效果对比

将改进后的装置与改进前的装置进行实际实验效果对比，结果如表2和表3所示.

表1 不同搅拌速度下萘的摩尔质量测量值

表2 改进前装置学生实验结果

表3 改进后装置学生实验结果

从以上实验效果对比发现，改进后实验装置得到的结果误差更小，调节寒剂温度方面更容易，教学效果更好.

4 结 论

本文对凝固点降低法测定萘的摩尔质量实验装置进行了改进，在原有装置的基础上，制作了半封闭的泡沫保温层，套在烧杯外部，并留出观察烧杯内凝固点管的位置.这样，既可以利用泡沫的保温性控制寒剂温度在短时间内基本保持不变，又便于观察凝固点内液体的状态.将此装置搭建好后，置于转速可调、带热电偶的磁力搅拌器上，替代之前老式的、不能定量控制转速、不能测温的磁力搅拌器，并以搅拌器上的感温探头替代之前的酒精温度计，监测寒剂温度变化.本文测试了该装置的实验效果，并对实验条件进行了优化.通过实际的教学实验效果对比，改进后的装置能更好地完成实验教学效果，且方便推广使用.