大学化学, 2022, 37(2): 2110017-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202110017

化学实验

基于经典实验的教学改革模式探讨——以二元液系气液平衡相图实验的改进为例

熊辉,, 吴映辉, 吴贝娜, 梅付名, 龚跃法

Discussion on Teaching Reform Mode Based on a Classical Experiment: An Example of Experimental Improvement of the Gas-Liquid Equilibrium Phase Diagram with a Binary Liquid System

Xiong Hui,, Wu Yinghui, Wu Beina, Mei Fuming, Gong Yuefa

通讯作者: 熊辉, Email: xionghui@mail.hust.edu.cn

收稿日期: 2021-10-8   接受日期: 2021-11-24  

基金资助: 湖北高校省级教学研究项目.  2016053
华中科技大学2019年教学研究项目.  2019028

Received: 2021-10-8   Accepted: 2021-11-24  

Abstract

From the aspects of experimental device, experimental system, solution preparation, and data measurement, comprehensive exploration of the classical physical chemistry experiment "gas-liquid equilibrium phase diagram of a binary liquid system" was carried out. The consumption of experimental reagents was reduced, the experimental time was shortened, the operability and reproducibility of the experiment was improved, and the potential safety hazards in the experimental process were eliminated. After several years of engineering experiment teaching practice, these improvement measures are shown to enhance students' understanding of the low-carbon environmental protection concept, improve the experimental process experience, and strengthen the innovative effect of classical experiments. By guiding students to deeply understand the basic theory of gas-liquid phase equilibrium, these measures will help cultivate students' innovative thinking and obtain good experimental teaching evaluation.

Keywords: Binary liquid system phase diagram ; Gas liquid equilibrium ; Experimental improvement ; Teaching innovation

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熊辉, 吴映辉, 吴贝娜, 梅付名, 龚跃法. 基于经典实验的教学改革模式探讨——以二元液系气液平衡相图实验的改进为例. 大学化学[J], 2022, 37(2): 2110017-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110017

Xiong Hui. Discussion on Teaching Reform Mode Based on a Classical Experiment: An Example of Experimental Improvement of the Gas-Liquid Equilibrium Phase Diagram with a Binary Liquid System. University Chemistry[J], 2022, 37(2): 2110017-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110017

实验教学是一流本科人才实践能力及创新精神培养的一个重要支撑环节,培养具有环保观念的创新拔尖人才也是大学实验教学的重要任务。化学是以实验为基础的中心学科,也是我校生命、材料、航空、能源、光电、环境、医学等工程学科的创新基础;化学实验教学也成为培养工科学生创新观念的首要环节,同时也是以工科为主的综合研究型大学一直关注的培养问题。通过化学实验教学,可以实现应用拔尖人才的培养,拓展学生的学科视野,强化复合交叉创新体系;而且化学实验能够激发工科学生从化学的观点和角度去思考挑战问题,引导学生以实验需求为导向开发新方法、新实验的热情和能力。基础化学实验“双液系气液平衡相图”既是高校物理化学实验教学环节必不可少的一个经典验证性实验[1, 2],也是化工单元操作实验中相平衡原理的理论基础[3, 4]。但这个实验存在基础理论抽象难懂、操作过程复杂、试剂损耗量大、测量数据多及数据处理结果不理想等难题,因此化学基础理论薄弱的工科学生在有限的4个学时内往往难以得到完整的实验数据,80%学生无法在规定的4个学时完成整个实验。而且实验过程中也存在可操作性不强、沸点判断不准确、实验成功率低、实验试剂需求量大等问题;这些实验问题严重打击了工科学生的实验积极性,降低了实验教学效果,直接影响了工科学生的培养质量。通过分析总结学生实验存在的问题,结合多年的工科专业实验教学经验,对这一经典实验进行了全面改进。从实验体系的选择、实验装置的改进、实验溶液的配制以及实验数据的测量等方面进行了综合性探索,加强对工科学生应用创新思维能力的培养。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器:沸点仪(自制)、WAY-2S型阿贝折射仪(上海光学仪器厂)、调压变压器(上海精益电气有限公司,0.5kVA)、CS501型超级恒温水浴(重庆试验设备制造厂)、热电阻温度计、移液管、电吹风等。

试剂:环己烷、乙醇、正丙醇、丙酮(均为分析纯,购自国药集团化学试剂有限公司)、去离子水(自制)。

1.2 实验步骤

配制环己烷(正丙醇)摩尔分数分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的二相混合乙醇(水)体系。测定九种已配制溶液及其纯样品在20 ℃恒温下的折光率,提前绘制两种体系摩尔含量折光率标准工作曲线。在沸点仪中加入待测溶液,温度计浸没于溶液液面下方约1.5 cm处,注意避免温度计与加热丝直接接触,同时加入沸石防止液体加热过程中暴沸;然后打开直管冷凝器的冷却循环水,加热待溶液沸腾稳定后,分别吸取液相和气相冷凝液测定其折光率,同时记录待测溶液沸点[5]

1.3 实验体系的选择

实验教学过程中为了让学生深入理解气液相平衡知识点,一般选择具有最低恒沸点的二元液相体系。乙醇-环己烷或者异丙醇-环己烷体系是目前大部分高校采用的实验体系,也有采用乙醇-乙酸乙酯和正丙醇-水体系的[68]。采用有机非水体系,在实验操作过程中不加提醒的话学生常常容易使用蒸馏水进行清洗,而水的引入会使待测体系由双液系变为三组分体系,带来实验的误差。相对而言正丙醇-水体系毒性较低,也降低了有机试剂使用量和有机废液排放量,更符合绿色环保要求;同时鉴于该体系的沸点较高,试剂挥发性较弱,因此取样操作测量过程中带来的误差也会更小。图 1是学生实验前绘制的水-正丙醇体系的折光率标准工作曲线,根据学生实验数据(表 1)绘制的水-正丙醇相图(图 2),体系达到气液平衡时的正丙醇气相组成(0.8826)和液相组成(0.8266)之间的误差为6.7%;根据图 2的结果对比表 2中的文献值可以看出,实际测定的气液平衡组成与文献值0.712 [9]误差也比较大,达到16.1%。而且绘制的相图结果也不对称。

图1

图1   水体系正丙醇摩尔含量折光率标准工作曲线


表1   传统装置测定水-正丙醇体系沸点及折光率数据

溶液组成T/℃ng (气相)nl (液相)摩尔分数(xg)摩尔分数(xl)
50.0 mL正丙醇96.21.38331.38331.00961.0096
+ 1.0 mL水95.71.38161.38270.97790.9984
+ 2.0 mL水90.71.37931.38150.93490.9760
+ 4.0 mL水87.21.37671.37750.88630.9013
+ 6.0 mL水87.41.37651.37350.88260.8266
40.0mL水99.61.33321.33320.07380.0738
+ 1.0 mL正丙醇97.21.36121.33390.59680.0869
+ 2.0 mL正丙醇94.11.37401.33660.83590.1373
+ 4.0 mL正丙醇91.01.37551.34210.86390.2400
+ 10.0 mL正丙醇87.91.37681.35590.88820.4978
+ 20.0 mL正丙醇87.51.37671.36710.88630.7070

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图2

图2   传统装置绘制的水-正丙醇相图


表2   二元恒沸体系沸点及组成

溶液组成纯物质的沸点/℃恒沸点/恒沸点组成(摩尔分数)
水+正丙醇100.0–97.187.70.288 (0.712)
乙醇+环己烷78.5–80.764.90.445 (0.555)

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采用乙醇-环己烷体系进行二元液系相平衡实验对照。相比水-正丙醇体系而言,从乙醇体系环己烷摩尔含量折光率标准工作曲线(图 3)可以看出,乙醇-环己烷两相体系折光率差别更大;体系达到气液平衡时的环己烷气相组成(0.5347)和液相组成(0.5415)之间的误差为1.3%,基本相同;根据表 3的结果对比表 1中的文献值可以看出,实际测定的气液平衡组成与文献值0.555 [10]误差也比较小,只有2.4%,远远低于水-正丙醇体系16.1%的误差。根据学生实验测量数据(表 3)绘制得到乙醇-环己烷体系相图(图 4),相对水-正丙醇体系而言,乙醇-环己烷体系的相图结果更加完美对称。

图3

图3   乙醇体系环己烷摩尔含量折光率标准工作曲线


表3   传统装置测定环己烷-乙醇体系沸点及折光率数据

溶液组成T/℃ng (气相)nl (液相)摩尔分数(xg)摩尔分数(xl)
20.0 mL环已烷80.81.42401.424011
+ 0.5 mL乙醇70.81.41001.41950.70870.8933
+ 1.0 mL乙醇66.21.40151.41750.55680.8531
+ 1.5 mL乙醇65.21.40071.41250.54320.7558
+ 2.0 mL乙醇65.01.40061.40550.54150.6268
+ 4.0 mL乙醇64.91.40021.40060.53470.5415
20.0 mL乙醇78.31.35891.358900
+ 1.5 mL环己烷73.71.38211.36300.25700.0253
+ 2.5 mL环己烷70.01.39141.36800.39260.0799
+ 3.0 mL环己烷67.71.39651.37270.47330.1350
+ 5.0 mL环己烷66.21.39811.37900.49960.2151

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图4

图4   传统装置绘制的环己烷-乙醇相图


1.4 实验加热装置的改进

传统的二元液系相平衡实验测定装置存在诸多不足,例如加热方式不合理、取样过程不便捷、沸腾平衡时间长、试剂取用消耗量大等问题[11],我们期望训练工科学生从他们的角度对沸点仪进行合理的改进,达到更方便、更实用和更安全的目的。

其中加热形式的选择是关键。水浴间接加热[12]是比较安全的一种方法,但是只适用于两相体系沸点不高的情况,而且加热过程明显滞后。使用电热套加热[13]溶液能够快速沸腾,没有明显滞后,但是这种加热方式也有缺陷:加热不均匀,平衡过程长,沸点不易稳定读取[14]。在溶液体系中内置电热丝进行加热方便快捷,没有滞后,但在实验操作过程中往往因学生对实验步骤不熟悉,又想加快实验进程,易导致加热电压过高,或者加热丝熔断,极易发生安全事故。这些问题的提出是对工科学生的实验应用创新能力的考验,让工科学生基于物理原理通过工程技术手段来改善经典化学实验的现状;基于以上考虑,我们提出设计理念,让工科学生结合实验目的自制了低压恒流智能加热电源,其加热电流不超过加热丝的额定安全电流(2 A),并且加热电压控制在15–20 V范围手动调节,避免了学生在实验过程中操作不当带来的安全隐患。同时加热电源内嵌labview软件编辑的温度监控程序,实时对比测温单元的反馈,当溶液温度没有明显上升(升温幅度小于0.1 ℃∙min−1)或者溶液温度超过纯溶剂的最高沸点时,程序自动切断电源停止加热,进一步杜绝了安全隐患。

图 5是我们实验中自行研制的低压恒流智能加热控制器,两块显示屏分别显示溶液温度和加热电压。测温探头连接的是测量精度达到0.01 ℃的热电阻温度计,通过插入待测溶液中实时显示实验温度变化。控制器的加热接口与溶液中的电加热棒相连,通过控制器中间的旋钮调节加热电压,显示精度0.01 V。通过这些改进既在实验教学过程中体现了学科交叉的重要性,又在工科学生应用能力的培养上佐证了创新性的不可或缺。图 6是我们的实验装置改进示意图。

图5

图5   低压恒流智能加热控制器


图6

图6   实验装置改进示意图


1.5 待测溶液配制测量过程的改进

通常条件下待测溶液是由学生自己逐一配制,用完后的混合试剂只能作为废液处理。如果实验教学过程中不采取有效措施控制的话,学生使用试剂消耗量将是巨大的。目前普遍采用以下两种方式来解决上述问题。

1.5.1 依次添加法

在沸点仪中首先提前加入25 mL环己烷,然后依次滴加另一组分乙醇于沸点仪中,使其浓度逐步增加。测完一组之后倒出溶液,烘干沸点仪接着重新添加25 mL乙醇,再逐步滴加另一组分环己烷[15]。整个实验过程大约需要100 mL有机试剂,10次实验会产生1 L废液。这种方法不需准备大量的试剂瓶,实验过程便捷,实验环境整洁,但试剂的消耗和废液产生不可避免,实验重复配制过程漫长,而且溶液浓度逐步平均增加,最后绘制的相图实验数据分布不合理。

1.5.2 提前配制法

由实验技术人员事先配制好一系列浓度的待测溶液,每个浓度测定完成后倒回原瓶。由于试剂配制使用的时间比较长,溶液存在挥发损耗,需不定期通过添加相应纯品调整溶液浓度[16]。这种方法的好处:虽然单次实验使用溶液较多250 mL,但是10次实验仍然只消耗250 mL,几乎没有试剂损耗,实验产生的废液量也最小。因为每次实验结束后只需检查一系列溶液的浓度,补充部分消耗,是最节省试剂的方法。缺点在于实验桌面试剂较多,学生使用容易污染试剂,甚至混用不同浓度不同批次试剂,溶液浓度有误差,导致测定的实验结果出现误差。

1.5.3 改进后的溶液配制方法

我们综合以上两种方法优点,提出以下溶液配制过程的改进。首先准确量取环己烷20.0 mL,测定其沸点后,通过事先计算的结果往其中补充一定体积的乙醇,逐步调整升高其中乙醇的浓度,连续进行测定。具体操作如下:

(1) 一组学生往20.0 mL环己烷中移取滴加0.5 mL乙醇,在溶液沸腾后记录气液平衡时沸点,停止加热后分别快速吸取液相和气相冷凝液测定其折光率。继续往前述溶液中补加1.0、1.5、2.0、4.0 mL乙醇,重复以上步骤。

(2) 另外一组学生往20.0 mL乙醇中移取滴加1.5 mL环己烷,加热记录其沸点并快速吸取液相和气相冷凝液分别测定其折光率。再继续补加环己烷2.5、3.0、5.0 mL,重复以上步骤。

(3) 根据前两组学生测定的环己烷和乙醇混合溶液气液相冷凝液折光率数据,在标准工作曲线上查出对应的环己烷摩尔分数,见表 2;两组同学在同一时间分别进行不同溶液浓度的沸点测定,最后数据合并处理成一张完整的相图,见图 4。这样不但实验数据分布合理,绘制相图的数据点分布均匀;而且每次实验所需的试剂量减少一半,实验时间也缩短一半;学生避免了枯燥重复的实验过程,加强了实验人员的分工协调,培养了学生的合作交流能力。

1.6 测量方法的改进

根据工科专业学生的建议,采用热电阻温度计代替传统的热电偶温度计,实验测量的精度提高,温度计使用寿命延长,学生读数的误差减少。通过工科专业学生的不断实践改进,新装置集成了高精度数字温度计和数显低压智能电源,代替传统旧装置的测温元件和调压变压器系统,用较低成本实现了实验装置的智慧化升级,加强了实验安全性,提高了实验成功率,降低了实验操作误差。通过传统旧装置和改进新装置的原始实验数据对比(表 3表 4),表明新旧装置测量的实验结果虽然比较接近,但是新装置测量体系达到气液平衡时的环己烷气相组成(0.5534)和液相组成(0.5449)与表 2中的文献值0.555 [10]误差更小,分别为0.3%和1.8%,同时新装置的温度测量精度提高一个数量级。图 7是根据新装置测定实验数据绘制的环己烷-乙醇相图,也表明新装置的测定结果接近理想状态。

表4   改进新装置测定环己烷-乙醇体系沸点及折光率数据

溶液组成T/℃ng (气相)nl (液相)摩尔分数(xg)摩尔分数(xl)
20.0 mL环已烷80.891.42471.424711
+ 0.5 mL乙醇71.831.40641.42210.64290.9465
+ 1.0 mL乙醇66.451.40341.41740.58970.8511
+ 1.5 mL乙醇65.261.40261.41430.57580.7903
+ 2.0 mL乙醇65.011.40171.40920.56030.6939
+ 4.0 mL乙醇64.951.40131.40080.55340.5449
20.0 mL乙醇78.351.35871.358700
+ 1.5 mL环己烷74.831.37321.36310.14120.0264
+ 2.5 mL环己烷70.701.39061.36690.38030.0675
+ 3.0 mL环己烷68.331.39511.37380.45070.1486
+ 5.0 mL环己烷66.581.39831.38220.50290.2584

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图7

图7   改进新装置绘制的环己烷-乙醇相图


2 结语

从实验体系、实验装置、试剂配制、数据测量等方面探讨了双液系气液平衡相图实验的综合改进措施。我们联合工科专业实验学生创新研制的智能加热控制器,大大降低了沸点仪中电加热丝的损坏率和实验安全隐患,用较低成本实现了实验装置的智能化升级换代;试剂配制方式的改进显著降低了实验操作重复性,减少了有机试剂消耗量,提高了相图的理想状态。在工科专业的基础化学实验教学过程中,我们对比了传统方法和改进方法的实验教学效果,实践表明改进的措施提高了实验重现性和准确性,改善了化学实验安全环境,降低了实验操作误差。基于经典实验的创新教学模式,对培养学生综合素质及提高学生交叉创新能力具有引导作用。双液系气液平衡相图实验的改进思路拓展了本科基础实验传统单一思维模式,改善了相图实验条件,体现了经济环保理念;通过化学专业和其他工科专业共同探讨实验方法及内容改进的探索实践,进一步提高了基础化学实验吸引力,培养了工科学生综合创新潜力。同时这一改进措施也让我校医学院及生命、材料等工程学科没有提前学习相应化学知识的工科学生,在化学实验能力不强的条件下能够取得良好的实验效果,达到实验教学与应用实践相辅相成的目标。

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