周新麗+李維杰

摘要：本文分析了SWC-LG凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中存在的三方面問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)體系環(huán)境不友好、寒劑溫度控制困難、人工數(shù)據(jù)采集處理.提出以下改進(jìn)方法：采用水做溶劑的測(cè)定體系、低溫恒溫槽控制溫度以及數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)化.通過(guò)改進(jìn)可以使該實(shí)驗(yàn)成為綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)測(cè)量準(zhǔn)確的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：凝固點(diǎn)降低；摩爾質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）02-0267-02

一、凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的基本原理

Tf*，Tf分別為純?nèi)軇?、溶液的凝固點(diǎn)，單位K；mA、mB分別為溶劑、溶質(zhì)的質(zhì)量，單位kg；Kf為溶劑的凝固點(diǎn)降低常數(shù)，與溶劑性質(zhì)有關(guān)，單位K·kg·mol-1；MB為溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量，單位kg·mol-1.將一定量的溶劑A和溶質(zhì)B組成稀溶液，分別測(cè)定純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c(diǎn)，求得ΔTf，再查得溶劑的凝固點(diǎn)降低常數(shù)，代入上述公式，即可計(jì)算溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量.

二、實(shí)驗(yàn)儀器和步驟

1.實(shí)驗(yàn)儀器.南京桑力公司生產(chǎn)的SWC-LG凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置是廣大高校所采用的一套裝置.該裝置整合了貝克曼溫度計(jì)和傳統(tǒng)的凝固點(diǎn)測(cè)定儀，用數(shù)字顯示的方式給出溫度數(shù)值，自動(dòng)化程度顯著提高，溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得到了改善.此外，溶液攪拌用磁力攪拌代替手動(dòng)攪拌，攪拌速度比較均勻，有利于溫度的控制，但是，冰浴的攪拌仍采用上下拉動(dòng)的手動(dòng)攪拌方式.裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

（1）機(jī)箱；（2）電源開(kāi)關(guān)；（3）磁力攪拌器調(diào)速旋鈕；（4）測(cè)量與保持狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；（5）溫差清零鍵；

（6）鎖定鍵；（7）定時(shí)設(shè)置按鍵；（8）狀態(tài)指示燈；（9）溫差顯示窗口；（10）定時(shí)顯示窗口；（11）溫度顯示窗口；（12）凝固點(diǎn)測(cè)定管；（13）冰浴槽（保溫筒）；（14）手動(dòng)攪拌器；（15）溫度傳感器；（16）手動(dòng)攪拌器（冰浴槽）；（17）空氣套管；（18）攪拌磁珠；（19）磁力攪拌器.

2.實(shí)驗(yàn)步驟.配一定量的氯化鈉水溶液倒入冰浴槽中，用制冰機(jī)制取碎冰，往冰浴槽中加碎冰調(diào)節(jié)溫度為-3℃左右，上下拉動(dòng)的手動(dòng)攪拌器使溫度穩(wěn)定.精確移取25mL溶劑于樣品管并放入冰浴槽中急速冷卻，開(kāi)啟凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置電源和磁力攪拌，冷卻至凝固點(diǎn)附近時(shí)轉(zhuǎn)移至空氣冷卻管中，每隔15s人工記錄該一次溫度，當(dāng)溫度先下降至過(guò)冷溫度后再升高且數(shù)值穩(wěn)定不變時(shí)，為純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn).取三次測(cè)定的平均值作為溶劑的凝固點(diǎn).取出凝固點(diǎn)管，使管中的溶劑完全融化；加入精確稱重的溶質(zhì)完全溶解，按與溶劑凝固點(diǎn)同樣的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定，取三次測(cè)定的平均值作為溶質(zhì)的凝固點(diǎn).

三、實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

1.測(cè)定體系的選擇.目前的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材大部分是測(cè)定苯-萘體系，或環(huán)己烷-萘體系，以萘作為溶質(zhì)，苯或環(huán)己烷作為溶劑.該體系中萘、苯、環(huán)己烷，均為有毒性的環(huán)境污染物，如苯在常溫下易揮發(fā)，損害人體健康，回收起來(lái)也非常難度.其次，環(huán)己烷、苯吸水性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)前需要預(yù)處理（干燥），增加了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的步驟.此外，有機(jī)溶劑在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易揮發(fā)，致使溶液濃度發(fā)生改變，所以高溫、高濕季節(jié)實(shí)驗(yàn)效果不好，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大.

2.寒劑溫度的控制.SWC-LG凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置主要通過(guò)手動(dòng)攪拌調(diào)整寒劑溫度，寒劑的溫度由冰水浴控制，隨著碎冰的融化，冰浴溫度會(huì)有所上升，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要不斷向冰槽中加碎冰并不停地上下攪拌，不易保持冰浴溫度的均勻和恒定的冷卻速度.此外，水溶液體系的凝固點(diǎn)較低，冰水浴提供的冷量不能使體系有較快的冷卻速率，整個(gè)冷卻過(guò)程較長(zhǎng)，特別是在重復(fù)測(cè)試三次的情況下，將超過(guò)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間要求.

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄.溶劑和溶液冷卻過(guò)程中采用15s中人工記錄一次溫度數(shù)據(jù)，在相變前的降溫段，降溫速率慢，所記錄的數(shù)據(jù)量很大，而相變發(fā)生后，溫度很快回升到凝固點(diǎn)附近，又來(lái)不及記錄該段的數(shù)據(jù)，造成相變點(diǎn)不明顯.后期人工繪制冷卻曲線時(shí)也存在誤差.

四、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法

1.綠色體系的選擇.為解決環(huán)境友好的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些研究者嘗試采用水溶液來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的萘-環(huán)己烷等體系.水溶液是無(wú)毒的環(huán)保類(lèi)體系，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不易揮發(fā)，是理想的凝固點(diǎn)降低法測(cè)定體系.中國(guó)石油大學(xué)的孟慶民等對(duì)環(huán)己烷-萘、苯-萘、水-葡萄糖、水-蔗糖、水-尿素等不同體系的凝固點(diǎn)降低值進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)比較了溶質(zhì)在溶劑中溶解速度的快慢.得出水-尿素體系是溶解速度快，相對(duì)誤差小，重復(fù)性好，環(huán)境友好，對(duì)師生健康有利的相對(duì)綠色體系.

2.低溫恒溫槽控制溫度.同濟(jì)大學(xué)的李明芳等、河北師范大學(xué)的裴淵超等，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，制作了一個(gè)不銹鋼螺旋盤(pán)管，放入儀器的恒溫槽中，恒溫槽中加水或其他的寒劑，把螺旋盤(pán)管的兩端接在低溫恒溫槽的循環(huán)液系統(tǒng)中，由低溫恒溫槽控制其溫度.該方法提供了一個(gè)穩(wěn)定的低溫環(huán)境，將上下拉動(dòng)的手動(dòng)攪拌方式改為電動(dòng)磁力攪拌，省去了手動(dòng)攪拌的人力消耗以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中寒劑溫度波動(dòng)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差.此外，使用一臺(tái)低溫恒溫槽可以同時(shí)帶動(dòng)多臺(tái)儀器，多組學(xué)生可以同時(shí)完成實(shí)驗(yàn).

3.數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)化.廣西師范學(xué)院的龐承新等，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡提供的接口，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄不同時(shí)間下的溫度，應(yīng)用凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理軟件自動(dòng)繪制冷卻曲線（T-t圖），代替人工記數(shù)繪圖，學(xué)生可以觀察到溶劑和溶液的冷卻曲線，相變點(diǎn)非常清晰，提高了實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)度.輸入所需參數(shù)后，還可以計(jì)算出摩爾質(zhì)量，代替人工計(jì)算.

五、結(jié)論

本文分析了SWC-LG凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中存在的三方面問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)體系環(huán)境不友好、寒劑溫度控制困難、人工數(shù)據(jù)采集處理.針對(duì)這些問(wèn)題，參考其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革內(nèi)容，提出以下改進(jìn)方法：采用水做溶劑的測(cè)定體系、低溫恒溫槽控制溫度以及數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)化.通過(guò)這些改進(jìn)，可以使該實(shí)驗(yàn)成為綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)測(cè)量準(zhǔn)確的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

[1]孟慶民，俞英，黃海燕，等.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)體系的綠色化研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，19（1）：33-35.

[2]李明芳，王曉崗，吳梅芬，等.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定分子摩爾質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012，15（6）：78-80.

[3]裴淵超，張虎成，趙揚(yáng)，等.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14（4）：174-176.

Teaching Experience on Determination of Molar Mass by Freezing Point Depression Method

ZHOU Xin-li，LI Wei-jie

（School of Medical Instrument and Food Engineering，The University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：Molar mass is experimentally determined by SWC-LG freezing point experimental apparatus. Three problems are analyzed in this paper：experimental system unfriendly environmen，difficulty in control of cold refrigerant temperature，manual data acquisition and processing. The following improved methods are presented：using water as a solvent system，temperature control with low temperature thermostat bath，and automation of data acquisition and processing. With these improvements，the experiment can become green and accurate experiment for undergraduate.

Key words：freezing point depression；molar mass；experiment improvement