双液系气—液平衡相图实验的改进与探索

赵洪波 乔秀丽 马松艳

（绥化学院食品与制药工程学院 黑龙江绥化 152061)

物理化学实验是大学化学实验中的重要实验[1]，它是通过物理学的原理、仪器和设备并利用他们的原理和技术来研究化学问题，[2]是探求物质的物理变化和化学反应规律的一门科学。

基础物理化学实验双液系气—液平衡相图实验是一个比较经典的实验，该实验需记录的数据量较大，如折射率、不同组成溶液的沸点等，消耗时间长，同时仪器操作和数据处理都非常复杂。该实验要求学生掌握双液系气—液相组成的折射率测定，阿贝折光仪的使用及绘制沸点-组成图等等。在具体的实验中发现还有一些不足和需要进一步改进的地方，为了提高教学质量，培养学生的探索精神和创新能力，我们针对该实验进行以下改革。

一、实验体系的改进

之前大部分学校该实验使用的是异丙醇-环己烷体系。高浓度的异丙醇蒸气对呼吸道、眼的黏膜有刺激作用，麻醉作用明显，能损伤视网膜及视神经，具有微毒性，它的麻醉性、毒性以及对呼吸道黏膜的刺激都要高于乙醇。一些高校多数采用了环己烷－异丙醇体系[3]或乙酸乙酯-乙醇体系[4]进行实验。为了避免其对实验环境和师生健康的影响，我们研究后使用了环己烷-乙醇体系加以实验，该体系对拉乌尔定律具有正偏差，具有最低恒沸点，是完全互溶的非理想双液系，并且环己烷与乙醇的折光率相差较大，所以按不同比例配制的溶液折光率会显著发生变化，容易区分，用阿贝折光仪测定时误差较小，这样绘制的折光率-组成图较为准确。曾经也有一些院校选用乙酸乙酯-乙醇体系开展实验，而乙酸乙酯是无色透明液体，低毒性，有甜味，有刺激性气味，乙酸乙酯-乙醇体系会挥发出较大的气味，同样会影响师生健康，同时废液需精馏回收，操作复杂，直接排放会污染环境。我们选择的环己烷-乙醇体系不同组成的溶液沸点低，所需实验时间短，节省时间，容易观察，并且成本低，利于环保。

二、实验装置的改进

（一）测温仪器的改进。该实验测定不同组成溶液的沸点时原来一直采用水银温度计测量方法，测量时水银温度计下方的液泡应与待测溶液充分接触，且玻璃泡不能碰到蒸馏烧瓶的侧壁或底部；当每个待测样品加热完毕，在温度计达到稳定状态后直接读取它上面的刻度。但是水银温度计读数时需要其达到稳定状态，不同的人读数会有不同的误差，而且水银温度计的危险程度非常大，如果实验时学生不小心打碎温度计，温度计中的汞挥发到空气中被人吸入会在人体内累积，造成汞的重金属中毒，对人体造成无法想象的伤害。

联合国自2020年起禁止各缔约国生产和进出口含汞产品，为遵守2013年10月他们签署的《关于汞的水俣公约》，我国将于2020年停止生产水银温度计。因此，对于双液系气—液平衡相图实验的装置，使用水银温度计往往会产生的一些问题，如读数不方便，测温有误差及危险性大等问题。为了替代水银温度计，我们使用与数字恒流电源一体的数字温度计，在待测溶液中插入其自带的电阻传感器测量溶液温度。使用数字温度计能快速测量并显示待测液的温度，使用非常方便。

（二）加热仪器的改进。该实验测定环己烷-乙醇体系不同组成溶液的沸点时要进行加热。原来该实验一直是采用酒精灯这种最简单经济的加热方式，但实验室空气会被酒精燃烧产生的废烟污染，从而对老师学生的身体健康不利，同时该实验采用的试剂都是可燃性的，如果使用不当易引起火灾。后来在实验中我们曾采用电加热丝来加热，但实验后发现，电热丝加热虽然使用方便、快捷，但在使用时学生如果操作不当，加热丝很容易因电压过高而烧断，使实验停止还得重新操作，浪费师生的时间。为此我们引入了FDY双液系沸点测定仪，整体装置包括WLS－2数字恒流电源，测量范围：0～2A；0～15V，玻璃沸点仪（含加热器），采用数字恒流电源及使用加热棒，加热电源为恒流输出方式，最高电压15V，没超过电加热丝的额定电压，有短路、过载软、硬件保护功能，因此加热安全，并且可以有效防止烧断加热棒。实验时要求传感器与加热棒不能让触碰防短路，为此我们又自制了玻璃套管，将加热棒放进去，这样就不用担心实验时传感器与加热棒的偶然触碰了，虽然我们的实验员老师制作玻璃套管很辛苦，但学生使用后效果很好。

三、数据测量与处理的改进

（一）数据测量因样而异。该实验通过测定不同组成样品的沸点及通过测定不同待测样品达到气－液两相平衡时气相和液相的折射率来求得气－液平衡两相的浓度，最终做出沸点-组成图，即T－X相图。在T－X相图中，两端点的样品一个是乙醇，另一个是环己烷，都是纯物质，通过学习物理化学理论课程我们知道这2个样品达气－液两相平衡时，其两相的折射率应该相等，所以气－液相浓度相等（x＝y），因此实验时这两种纯物质只需测其沸点，各自两项的折射率不用测量。但由于学生在预习实验时没有太注意这两个点，所以大多数学生在测完这2个样品的沸点后都没有认真思考就着手测量它们气、液两相的折射率，结果由于各种误差，他们测出的这两种纯物质气、液两相折射率都不相等，从而使气－液平衡两相的浓度不相等，最后做出的T－X相图两端是开口的而不是封闭的，不仅浪费了时间，还使数据处理失败。这时他们都来问老师为什么会出现这种情况。为避免屡次发生这类现象，在课前预习时我们就提醒学生同时在实验讲义中也设置了重点提示标志，结果表明，这些举措使这种错误率大大降低。

（二）绘图方式的改进[5,6]。该实验由于要绘制折射率－组成关系曲线，并且据此找到气液相组成后要绘制气－液平衡相图，因此需要测定和处理的数据非常多。以前我们采用坐标纸绘图，但随着科技的发展，这种传统的数据处理方法方式已经逐步淘汰，因人为作图误差较大，因此我们逐渐采用计算机作图。由于计算机处理数据方便快捷[7,8]，准确可靠，功能强大，因此一些化学、数学分析软件的应用在物化实验中大大减少了人工处理数据的麻烦，提高了分析数据的可靠程度，提高了实验效率。

近年来，用于图形处理的软件越来越多，很多软件已经商业化，如微软公司的 Excel、OriginLab公司的Origin等。其中，Excel软件主要利用电子表格来进行简单计算、处理图表及分析数据等等。同WORD表格相比，Excel表格可迅速制作出比较规范的表格。同时只要在Excel中的每一个表格中输入各种数据，输入所需公式，系统就可以非常方便的对指定的表格中的数据进行相应的计算，还可方便地选定数据绘制图形。并且学生在大一时都学过Excel电子表格的应用，所以使用起来也非常感兴趣。在该实验中，通过输入数据得到折射率－组成关系曲线的同时还能对非线性曲线进行拟合从而求出相应的一些参数。这种拟合在其他实验中用处很大，如丙酮碘化反应速度常数的测定等等[9]。

同时在双液系气液平衡相图的这个实验中，除了通过作图找到双液系的最低恒沸点外，还要根据物理化学理论课程找到相应的最低恒沸物的组成[10]。该点组成通过Excel软件绘图就更容易找到。因此，使用学生熟悉的软件来处理他们自己得出的实验数据并绘图，不但实验数据误差小、处理数据更加方便快捷，同时利用软件绘图后会使得出的实验报告更科学、准确，同时也使他们更有成就感，增强了他们的自信心，提高了他们的学习兴趣，为他们将来从事科学研就及进行相关工作打下了良好的基础。

结语

我们从实验体系、实验装置及数据处理方面对热力学实验双液系气—液平衡相图实验的进行了改进及相关探索，实践结果证明改进后使师生的健康有了保证，消除了中毒及火灾隐患，节省了学生更多的时间，同时提高了学生的实践操作能力和创新思维能力[11,12]。同时改进后使该实验的课程教学更加符合我院化学专业的培养目标，也培养学生自主学习能力及科研探究能力。