趙洪波 喬秀麗 馬松艷

（綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要實(shí)驗(yàn)[1]，它是通過(guò)物理學(xué)的原理、儀器和設(shè)備并利用他們的原理和技術(shù)來(lái)研究化學(xué)問(wèn)題，[2]是探求物質(zhì)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的一門科學(xué)。

基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)是一個(gè)比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)需記錄的數(shù)據(jù)量較大，如折射率、不同組成溶液的沸點(diǎn)等，消耗時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)儀器操作和數(shù)據(jù)處理都非常復(fù)雜。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握雙液系氣—液相組成的折射率測(cè)定，阿貝折光儀的使用及繪制沸點(diǎn)-組成圖等等。在具體的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)還有一些不足和需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，為了提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，我們針對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行以下改革。

一、實(shí)驗(yàn)體系的改進(jìn)

之前大部分學(xué)校該實(shí)驗(yàn)使用的是異丙醇-環(huán)己烷體系。高濃度的異丙醇蒸氣對(duì)呼吸道、眼的黏膜有刺激作用，麻醉作用明顯，能損傷視網(wǎng)膜及視神經(jīng)，具有微毒性，它的麻醉性、毒性以及對(duì)呼吸道黏膜的刺激都要高于乙醇。一些高校多數(shù)采用了環(huán)己烷－異丙醇體系[3]或乙酸乙酯-乙醇體系[4]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了避免其對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和師生健康的影響，我們研究后使用了環(huán)己烷-乙醇體系加以實(shí)驗(yàn)，該體系對(duì)拉烏爾定律具有正偏差，具有最低恒沸點(diǎn)，是完全互溶的非理想雙液系，并且環(huán)己烷與乙醇的折光率相差較大，所以按不同比例配制的溶液折光率會(huì)顯著發(fā)生變化，容易區(qū)分，用阿貝折光儀測(cè)定時(shí)誤差較小，這樣繪制的折光率-組成圖較為準(zhǔn)確。曾經(jīng)也有一些院校選用乙酸乙酯-乙醇體系開展實(shí)驗(yàn)，而乙酸乙酯是無(wú)色透明液體，低毒性，有甜味，有刺激性氣味，乙酸乙酯-乙醇體系會(huì)揮發(fā)出較大的氣味，同樣會(huì)影響師生健康，同時(shí)廢液需精餾回收，操作復(fù)雜，直接排放會(huì)污染環(huán)境。我們選擇的環(huán)己烷-乙醇體系不同組成的溶液沸點(diǎn)低，所需實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，節(jié)省時(shí)間，容易觀察，并且成本低，利于環(huán)保。

二、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

（一）測(cè)溫儀器的改進(jìn)。該實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同組成溶液的沸點(diǎn)時(shí)原來(lái)一直采用水銀溫度計(jì)測(cè)量方法，測(cè)量時(shí)水銀溫度計(jì)下方的液泡應(yīng)與待測(cè)溶液充分接觸，且玻璃泡不能碰到蒸餾燒瓶的側(cè)壁或底部；當(dāng)每個(gè)待測(cè)樣品加熱完畢，在溫度計(jì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后直接讀取它上面的刻度。但是水銀溫度計(jì)讀數(shù)時(shí)需要其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不同的人讀數(shù)會(huì)有不同的誤差，而且水銀溫度計(jì)的危險(xiǎn)程度非常大，如果實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生不小心打碎溫度計(jì)，溫度計(jì)中的汞揮發(fā)到空氣中被人吸入會(huì)在人體內(nèi)累積，造成汞的重金屬中毒，對(duì)人體造成無(wú)法想象的傷害。

聯(lián)合國(guó)自2020年起禁止各締約國(guó)生產(chǎn)和進(jìn)出口含汞產(chǎn)品，為遵守2013年10月他們簽署的《關(guān)于汞的水俁公約》，我國(guó)將于2020年停止生產(chǎn)水銀溫度計(jì)。因此，對(duì)于雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的裝置，使用水銀溫度計(jì)往往會(huì)產(chǎn)生的一些問(wèn)題，如讀數(shù)不方便，測(cè)溫有誤差及危險(xiǎn)性大等問(wèn)題。為了替代水銀溫度計(jì)，我們使用與數(shù)字恒流電源一體的數(shù)字溫度計(jì)，在待測(cè)溶液中插入其自帶的電阻傳感器測(cè)量溶液溫度。使用數(shù)字溫度計(jì)能快速測(cè)量并顯示待測(cè)液的溫度，使用非常方便。

（二）加熱儀器的改進(jìn)。該實(shí)驗(yàn)測(cè)定環(huán)己烷-乙醇體系不同組成溶液的沸點(diǎn)時(shí)要進(jìn)行加熱。原來(lái)該實(shí)驗(yàn)一直是采用酒精燈這種最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的加熱方式，但實(shí)驗(yàn)室空氣會(huì)被酒精燃燒產(chǎn)生的廢煙污染，從而對(duì)老師學(xué)生的身體健康不利，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)采用的試劑都是可燃性的，如果使用不當(dāng)易引起火災(zāi)。后來(lái)在實(shí)驗(yàn)中我們?cè)捎秒娂訜峤z來(lái)加熱，但實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，電熱絲加熱雖然使用方便、快捷，但在使用時(shí)學(xué)生如果操作不當(dāng)，加熱絲很容易因電壓過(guò)高而燒斷，使實(shí)驗(yàn)停止還得重新操作，浪費(fèi)師生的時(shí)間。為此我們引入了FDY雙液系沸點(diǎn)測(cè)定儀，整體裝置包括WLS－2數(shù)字恒流電源，測(cè)量范圍：0～2A；0～15V，玻璃沸點(diǎn)儀（含加熱器），采用數(shù)字恒流電源及使用加熱棒，加熱電源為恒流輸出方式，最高電壓15V，沒超過(guò)電加熱絲的額定電壓，有短路、過(guò)載軟、硬件保護(hù)功能，因此加熱安全，并且可以有效防止燒斷加熱棒。實(shí)驗(yàn)時(shí)要求傳感器與加熱棒不能讓觸碰防短路，為此我們又自制了玻璃套管，將加熱棒放進(jìn)去，這樣就不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器與加熱棒的偶然觸碰了，雖然我們的實(shí)驗(yàn)員老師制作玻璃套管很辛苦，但學(xué)生使用后效果很好。

三、數(shù)據(jù)測(cè)量與處理的改進(jìn)

（一）數(shù)據(jù)測(cè)量因樣而異。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定不同組成樣品的沸點(diǎn)及通過(guò)測(cè)定不同待測(cè)樣品達(dá)到氣－液兩相平衡時(shí)氣相和液相的折射率來(lái)求得氣－液平衡兩相的濃度，最終做出沸點(diǎn)-組成圖，即T－X相圖。在T－X相圖中，兩端點(diǎn)的樣品一個(gè)是乙醇，另一個(gè)是環(huán)己烷，都是純物質(zhì)，通過(guò)學(xué)習(xí)物理化學(xué)理論課程我們知道這2個(gè)樣品達(dá)氣－液兩相平衡時(shí)，其兩相的折射率應(yīng)該相等，所以氣－液相濃度相等（x＝y(tǒng)），因此實(shí)驗(yàn)時(shí)這兩種純物質(zhì)只需測(cè)其沸點(diǎn)，各自兩項(xiàng)的折射率不用測(cè)量。但由于學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有太注意這兩個(gè)點(diǎn)，所以大多數(shù)學(xué)生在測(cè)完這2個(gè)樣品的沸點(diǎn)后都沒有認(rèn)真思考就著手測(cè)量它們氣、液兩相的折射率，結(jié)果由于各種誤差，他們測(cè)出的這兩種純物質(zhì)氣、液兩相折射率都不相等，從而使氣－液平衡兩相的濃度不相等，最后做出的T－X相圖兩端是開口的而不是封閉的，不僅浪費(fèi)了時(shí)間，還使數(shù)據(jù)處理失敗。這時(shí)他們都來(lái)問(wèn)老師為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況。為避免屢次發(fā)生這類現(xiàn)象，在課前預(yù)習(xí)時(shí)我們就提醒學(xué)生同時(shí)在實(shí)驗(yàn)講義中也設(shè)置了重點(diǎn)提示標(biāo)志，結(jié)果表明，這些舉措使這種錯(cuò)誤率大大降低。

（二）繪圖方式的改進(jìn)[5,6]。該實(shí)驗(yàn)由于要繪制折射率－組成關(guān)系曲線，并且據(jù)此找到氣液相組成后要繪制氣－液平衡相圖，因此需要測(cè)定和處理的數(shù)據(jù)非常多。以前我們采用坐標(biāo)紙繪圖，但隨著科技的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法方式已經(jīng)逐步淘汰，因人為作圖誤差較大，因此我們逐漸采用計(jì)算機(jī)作圖。由于計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)方便快捷[7,8]，準(zhǔn)確可靠，功能強(qiáng)大，因此一些化學(xué)、數(shù)學(xué)分析軟件的應(yīng)用在物化實(shí)驗(yàn)中大大減少了人工處理數(shù)據(jù)的麻煩，提高了分析數(shù)據(jù)的可靠程度，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

近年來(lái)，用于圖形處理的軟件越來(lái)越多，很多軟件已經(jīng)商業(yè)化，如微軟公司的 Excel、OriginLab公司的Origin等。其中，Excel軟件主要利用電子表格來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算、處理圖表及分析數(shù)據(jù)等等。同WORD表格相比，Excel表格可迅速制作出比較規(guī)范的表格。同時(shí)只要在Excel中的每一個(gè)表格中輸入各種數(shù)據(jù)，輸入所需公式，系統(tǒng)就可以非常方便的對(duì)指定的表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，還可方便地選定數(shù)據(jù)繪制圖形。并且學(xué)生在大一時(shí)都學(xué)過(guò)Excel電子表格的應(yīng)用，所以使用起來(lái)也非常感興趣。在該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)得到折射率－組成關(guān)系曲線的同時(shí)還能對(duì)非線性曲線進(jìn)行擬合從而求出相應(yīng)的一些參數(shù)。這種擬合在其他實(shí)驗(yàn)中用處很大，如丙酮碘化反應(yīng)速度常數(shù)的測(cè)定等等[9]。

同時(shí)在雙液系氣液平衡相圖的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，除了通過(guò)作圖找到雙液系的最低恒沸點(diǎn)外，還要根據(jù)物理化學(xué)理論課程找到相應(yīng)的最低恒沸物的組成[10]。該點(diǎn)組成通過(guò)Excel軟件繪圖就更容易找到。因此，使用學(xué)生熟悉的軟件來(lái)處理他們自己得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪圖，不但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小、處理數(shù)據(jù)更加方便快捷，同時(shí)利用軟件繪圖后會(huì)使得出的實(shí)驗(yàn)報(bào)告更科學(xué)、準(zhǔn)確，同時(shí)也使他們更有成就感，增強(qiáng)了他們的自信心，提高了他們的學(xué)習(xí)興趣，為他們將來(lái)從事科學(xué)研就及進(jìn)行相關(guān)工作打下了良好的基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

我們從實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理方面對(duì)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)雙液系氣—液平衡相圖實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行了改進(jìn)及相關(guān)探索，實(shí)踐結(jié)果證明改進(jìn)后使師生的健康有了保證，消除了中毒及火災(zāi)隱患，節(jié)省了學(xué)生更多的時(shí)間，同時(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新思維能力[11,12]。同時(shí)改進(jìn)后使該實(shí)驗(yàn)的課程教學(xué)更加符合我院化學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，也培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力及科研探究能力。