張 紅, 任淑霞, 馬志廣, 閏明濤, 白國義

(河北大學 化學與環(huán)境科學學院, 化學國家級實驗教學示范中心, 河北 保定 071002)

綠色發(fā)展、低碳發(fā)展、循環(huán)發(fā)展是當今時代的主題。在高校本科化學實驗的教學中,實驗所需試劑種類較多,消耗量較大,實驗室相當于一個小型的環(huán)境污染源[1],開設(shè)綠色化的實驗項目以減少環(huán)境污染成為本科化學實驗教學發(fā)展的必然趨勢。

為了提高物理化學實驗中綜合性和設(shè)計性實驗項目在課程中所占的比例，本文在綠色環(huán)保理念的基礎(chǔ)上,對原先的實驗內(nèi)容進行了相應修改和調(diào)整,并增加了新的實驗內(nèi)容,設(shè)計了一個綜合性實驗,使物理化學實驗內(nèi)容與現(xiàn)代科學技術(shù)和日常生活實際相結(jié)合, 將趣味性、應用性、綜合性融為一體,有助于提高學生自主學習興趣和創(chuàng)新意識,增強動手能力。

1 實驗項目的設(shè)計背景及意義

燃燒熱數(shù)據(jù)在判斷反應過程的方向性、解決相平衡問題中是不可或缺的[2-4],因而燃燒熱的測定一直是化學熱力學中的經(jīng)典實驗項目。實驗方法是先用標準物苯甲酸測出體系的等容熱容,然后根據(jù)待測物萘燃燒使體系溫度的升高值計算燃燒熱[5]。但實驗中采用的待測樣品萘[6],易揮發(fā)、易升華并且具有特殊氣味,是一種對人體健康有害的物質(zhì),也很容易擴散到大氣中污染環(huán)境,不符合綠色化學的原則。因此,需要選取一種對環(huán)境和人體無害的物質(zhì)來代替萘,這種物質(zhì)最好符合以下3個條件:(1)該物質(zhì)是固態(tài)粉末，很容易壓制成片或者可以切成隨意形狀直接稱量相應的質(zhì)量；(2)在合適的條件下能迅速完全燃燒；(3)最終產(chǎn)物為二氧化碳和水。

溶液表面張力的測定是物理化學實驗開設(shè)的另一個重要項目,實驗內(nèi)容是用最大氣泡法測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力,實驗結(jié)束后把大量廢液收集起來放置,有一定的安全隱患,且廢液的處理既浪費財力又浪費資源。最好的辦法是實現(xiàn)乙醇廢液的循環(huán)利用,但乙醇液態(tài)使用時易揮發(fā)且具有刺激性,儲存也非常不方便、不安全,容易引起火災或燒傷事故[7]。

為了踐行綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的理念,綜合考慮上述兩個實驗項目,精心設(shè)計了基于綠色環(huán)保理念的綜合型實驗——固體酒精的制備及其燃燒熱的測定。該實驗首先將溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生的乙醇廢液按濃度進行收集,然后用來制備固體酒精,制成的固體酒精當作待測樣品用于燃燒熱的測定實驗。整個實驗過程對環(huán)境友好,不再使用有毒有害物質(zhì),不再產(chǎn)生廢物,最大程度地節(jié)約能源,體現(xiàn)了綠色化學的理念,符合綠色化學實驗的5個R原則[8-9]。

2 實驗原理

固體酒精的制備方法很多[10-12],這些方法的差別主要在于所用凝固劑不同,比如醋酸鈣、硝化纖維、高級脂肪酸、自行制備的高分子聚合物等 。本文選用硬脂酸與氫氧化鈉反應生成的硬脂酸鈉做凝固劑,反應方程式為

C17H35COOH+NaOH=C17H35COO Na+H2O

(1)

反應生成的硬脂酸鈉是一個長碳鏈的極性分子, 在室溫下不溶于乙醇溶液,而在較高的溫度下可以均勻地分散在溶液體系中,冷卻后形成凝膠體系,使酒精分子被束縛于相互連接的大分子之間,形成固體狀態(tài)的酒精。固體酒精是一種便攜、安全無毒、儲存方便、熱值高的新型燃料。

燃燒熱是化學中的一個重要數(shù)據(jù),是熱化學中的重要實驗手段。測定燃燒熱實驗原理很簡單,主要基于能量守恒定律,用氧彈式量熱計測定[13-15]。一定量的物質(zhì)在氧彈中完全燃燒時放出的等容熱為

QV=CV△T

(2)

式中CV為體系等容熱容,△T為體系的溫度升高值,QV為等容燃燒熱。

首先稱取一定量標準物質(zhì)——苯甲酸(已知苯甲酸和點火絲燃燒時的等容熱分別為26 434.3 J/g和6 688 J/g),在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)完全燃燒,測定出溫度升高值△T,忽略引火棉線燃燒放出的熱量,根據(jù)(1)式標定出體系的等容熱容CV。然后根據(jù)待測物質(zhì)在相近的條件下燃燒，使體系溫度的升高值來計算固體酒精的等容燃燒熱。

C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O

(3)

在不做非膨脹功的封閉系統(tǒng)中,依據(jù)熱力學第一定律,可得到乙醇的摩爾燃燒焓計算公式為

(4)

式中，R為氣體常數(shù)，T為溫度，νB為計量系數(shù)。

將實驗計算值與理論值進行比較。

3 實驗儀器與試劑

實驗儀器:ZDHW-A9型高精度萬能全自動量熱儀,AR124CN型電子分析天平,81-2型磁力加熱攪拌器,壓片機,氧氣鋼瓶。

實驗試劑:苯甲酸為分析純,氫氧化鈉、硬脂酸均為工業(yè)級,乙醇廢液(溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生)。

4 實驗內(nèi)容

4.1 固體酒精的制備

將溶液表面張力的測定實驗結(jié)束后產(chǎn)生體積分數(shù)為30%、50%、70%、80%、90%的不同濃度的乙醇水溶液準備好(每種濃度的乙醇溶液共25 mL),將其分為等量的 2 份,一份與0.25 g的氫氧化鈉混合,加熱溶解備用;另一份與1.63 g硬脂酸混合,在三頸瓶中加熱至硬脂酸完全溶解；在攪拌情況下,將溶有氫氧化鈉的乙醇溶液滴加到硬脂酸溶液中,控制反應溫度在60～70 ℃之間,約10 min后將澄清透明的反應液倒入燒杯,冷卻后即得固體酒精。

4.2 固體酒精點火

從制備好的不同乙醇含量的固體酒精樣品中切下一定量放入鐵罐中,分別用打火機點燃,觀察固體酒精的燃燒情況。

4.3 固體酒精燃燒熱的測定

首先用標準物質(zhì)苯甲酸標定體系的等容熱容CV。粗稱0.5 g苯甲酸將其壓片,然后用分析天平準確稱量苯甲酸壓片和點火絲的質(zhì)量；打開氧彈,將2個電極擦洗干凈,并將點火絲兩端緊密固定在2個電極上,在點火絲上系上一段棉線,把制成的樣品壓片放在棉線上面,擰緊氧彈蓋；打開氧氣鋼瓶,給氧彈充入氧氣2 MPa；將氧彈放入全自動量熱儀中,并打開計算機中燃燒熱測試軟件進行參數(shù)設(shè)定,并進行熱容的測定；取出氧彈,先用放氣閥放氣,放完氣后即可打開氧彈。

然后測定固體酒精的燃燒熱。稱取約1 g待測物固體酒精,重復上述實驗步驟,進行發(fā)熱量測試。測量完畢軟件自動給出每克待測物的等容熱QV。

5 結(jié)果與討論

(1) 用硬脂酸鈉做凝固劑,通過兩步法制備固體酒精,具有操作簡單、原料易得、成本低、制備時間短等優(yōu)點,非常適合學生實驗。

(2) 將不同乙醇含量的固體酒精用火柴點燃進行點火燃燒時,發(fā)現(xiàn)乙醇含量為30%的固體酒精幾乎不燃燒,可能是含水量太多導致；乙醇含量為50%的固體酒精有微弱火焰,瞬間流淌；乙醇含量為70%的固體酒精有明亮火焰,但流淌現(xiàn)象偏重；乙醇含量為80%、90%的固體酒精燃燒時間長且不流淌。實驗現(xiàn)象如圖(1)所示。為達到直觀的點燃效果,實驗時可選用其中乙醇含量為80%～90%的廢液。

圖1 不同乙醇含量的固體酒精燃燒現(xiàn)象

(3) 按照4.3方法測試制備成的一系列不同乙醇含量的固體酒精發(fā)熱量,每個樣品測量3次求其平均值,實驗結(jié)果見表1。

表1 不同乙醇含量的固體酒精發(fā)熱量

注：①表中的百分數(shù)為制備固體酒精時所用乙醇溶液中乙醇的體積百分數(shù)；②QV為負值。

將乙醇的體積分數(shù)換算為質(zhì)量百分數(shù)后,用固體酒精中乙醇的質(zhì)量分數(shù)為橫坐標,發(fā)熱量為縱坐標作圖,結(jié)果如圖2所示,圖中幾個點基本形成一條直線,并且隨著乙醇含量的增加燃燒放出的熱量增加,這與理論推測是相符的,因為制備過程中加入硬脂酸的量是固定的,而含水量對燃燒熱是沒有任何影響的；同時說明用硬脂酸作凝固劑制備的固體酒精很均勻,不同濃度的乙醇溶液是完全被包覆進去的。

圖2 不同乙醇含量的固體酒精發(fā)熱量關(guān)系曲線

6 結(jié)語

固體酒精的制備及其燃燒熱的測定實驗涉及多個基礎(chǔ)理論知識和基本操作,如熱力學第一定律、固體酒

精的制備、燃燒熱的測定等,實驗現(xiàn)象穩(wěn)定,重復性好。該實驗項目體現(xiàn)了多學科相互滲透與交叉,適合于為已經(jīng)具備無機化學、應用化學、物理化學和儀器分析等相應化學知識儲備的學生開設(shè),有助于提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。將溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生的乙醇廢液,通過變廢為寶得到了充分利用,實現(xiàn)了零污染排放；從綠色化學的角度,用固體酒精作待測物取代萘,實現(xiàn)了綠色低碳的實驗教學,同時使學生掌握了測定燃燒熱的實驗技術(shù),了解氧彈式量熱計的結(jié)構(gòu)及使用方法。實驗中融入更加貼近日常生活實際的實驗內(nèi)容,增加了實驗的趣味性,激發(fā)了學生對實驗的學習興趣。

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