雙液系氣—液平衡相圖實驗項目改進措施探討

王金玉 卿大詠 劉瑩 吳洋 朱元強

摘要：結合本校在雙液系氣—液平衡相圖實驗的改革情況，本文討論了該實驗在體系選擇、實驗裝置改進、數據處理改進、廢液回收利用等方面取得的進展，提高了實驗效率，具有綠色環保、安全經濟等特點。

關鍵詞：物理化學；氣—液平衡；相圖；雙液系

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0269-02

物理化學實驗是化學實驗的組成部分，是化學工程與工藝、應用化學、環境工程、安全工程、化學等專業的一門重要獨立的公共基礎實驗課程。它綜合利用了物理和化學的原理和技術，進而研究和探索分析化學問題。其課程本身具有思維邏輯性強、緊密聯系工程實際、實踐環節豐富等特點，對培養學生的創新思維能力、工程實踐能力、獨立科研能力有重要作用[1]。

雙液系氣—液平衡相圖的實驗是普通高校物理化學實驗課必修實驗項目中的經典實驗。在實驗過程中，所需記錄的數據量較大，消耗時間長，儀器操作和數據處理較為復雜。多年來，通過項目制教學，筆者主要指導該項目，大部分學生基本能掌握實驗內容、阿貝折光儀的使用方法、氣液相組成的測定、數據處理以及如何解答相應的思考題等。但是，該實驗仍有不足和需要改進的地方，下面就從以下幾個方面做出討論。

一、實驗體系的選擇

早期教材采用的是苯-乙醇體系。苯的毒性較大，對于環境和健康都有影響。后來，部分高校采用乙酸乙酯-乙醇體系[2]。目前，我校采用環己烷-乙醇體系，該體系是具有正偏差的、有最低恒沸點的非理想完全互溶雙液系，因環己烷-乙醇的折光率相差較大，它們組成的溶液折光率隨著溶液的成分改變而顯著變化，用阿貝折光儀測定待測樣品的組成較為準確。在實驗操作過程中，苯-乙醇體系易揮發出較大的苯味，不僅影響師生健康，同時廢液難以回收，污染環境，耗材費用高。該體系沸點溫度低，容易測量，較為經濟環保。

二、實驗裝置的改進

物理化學實驗儀器不同于其他化學類實驗的設備。大多數物理化學實驗依賴于精密儀器來完成，往往這些儀器在價格上比較昂貴[3]。大部分地方院校的實驗配套設備在6—8套，隨著學生人數的逐年增多，物理化學實驗教學方法在許多高校是采用大循環分組實驗制度[4]。這就要求物理化學實驗配備較多的儀器，否則會嚴重影響實驗教學的充分開展。同時，由于設備的更新，實驗技術的改進，或高校本身的實際情況，實際所用實驗儀器或實驗方法與參考教材中所述的會稍有不同，故而造成學生預習和具體實驗的不統一，不方便教學，失去教材的指導作用[5]。實驗儀器與實驗教材不配套，也成為較為嚴峻的問題。在此背景下，為了進一步滿足實驗教學需求，我校在現有基礎上，通過設計加工改造現有設備，升級設備相關功能，增加設備數量，充分發揮實驗室儀器的使用和利用價值，以便學生有更多的操作機會。

（一）加熱方式的改進

酒精燈是實驗室中較為常用的加熱儀器，加熱方式較為經濟，但是酒精揮發性較強、易燃，在使用過程中必須注意安全。酒精不小心灑出且易在燈外燃燒，燒掉冷凝水橡皮管，實驗過程中存有一定的安全隱患。

原有的沸點儀是該實驗的常用裝置，主要以電阻絲加熱為主，這種沸點儀的缺陷是加熱電阻絲允許的電壓不能超過40V[6]，否則在實驗的時候，壓力容易調大以致燒斷電阻絲。電阻絲周邊的液體受熱不均，容易產生氣泡，不利于觀察沸騰現象。電阻絲通電后與易燃待測液直接接觸，存在極大的安全隱患。

為解決上述問題，我們對實驗裝置進行一定的改進，設計出一套雙液系氣—液平衡相圖實驗的綜合測定儀，將蒸餾燒瓶內的電阻絲改用電加熱套在燒瓶外，并用鐵架臺固定，同時具備加熱控制，有安全供電的加熱電源，實現加熱電源可控可調、穩定加熱、超溫斷電保護等功能。那么，在實際加熱過程中，將綜合測定儀的加熱功率控制在50W左右，待測液受熱均勻，可產生較為平穩的沸騰，加熱安全性高。同時，改進后的測定儀實驗效果好，操作簡單，安全可靠。

（二）測溫方式的改進

原有的實驗操作中，帶橡膠塞的水銀溫度計直接插進蒸餾燒瓶里，水銀溫度計的水銀球接觸待測溶液，當每個樣品加熱完畢，直接讀取水銀溫度計上面的刻度。但是水銀溫度計不僅在讀取過程中不太準確，而且在實驗過程中危險程度非常大，遠遠超出人們的想象。學生若在實驗過程中不小心打碎了溫度計，那么汞就會灑落出來，揮發到空氣中對人體造成傷害，引起重金屬中毒。聯合國2013年簽署《水俁公約》，要求各締約國自2020年起，全面停止含汞產品的生產和進出口，我國水銀溫度計將于2020年停產。

對于該裝置，我們采用具備PID控制功能的精密智能溫度顯示儀表作為溫度測量的顯示儀表，用Pt100鉑電阻傳感器進行溫度測量代替原有的水銀溫度計。這樣就避免了水銀溫度計讀數不便、測溫不準確、危險性大等一系列問題，實現了液系溫度實時快速測量并顯示，有利于準確讀取液系沸點溫度。

三、數據處理的改進

該實驗的數據處理需要繪制折射率—組成工作曲線和沸點—組成的氣液平衡相圖。原有的坐標紙繪圖方式已經逐步淘汰，因人為誤差較大，同時作圖的準確性低，最低恒沸點誤差較大。隨著計算機的不斷普及和畫圖軟件的開發應用，傳統的數據處理方法已不能適應時代的要求，利用計算機軟件來處理實驗數據已是大勢所趨[7-9]，比如Origin軟件、EXCEL軟件、MATLAB編程和AUTOCAD等繪制雙液系相圖。這樣在實驗完成之后的數據處理過程中，避免因人為因素所帶來的誤差，有助于提高實驗結果的準確性，從而提高實驗效率。

其中，Origin軟件是快速、靈活、易學的制圖及分析軟件，用來處理實驗結果和繪圖功能非常強大，包括很多物理化學實驗的數據。對于同一個圖形，可選用不同的方法繪制。在該實驗中，得到的相圖準確性高，能夠將非線性曲線擬合求出相應多項式中的待定參數。雙液系氣液平衡相圖的實驗中，最低恒沸點的確定，并不是單純地找出“最低點”，讓學生用理論課上學到的知識來確定恒沸點及相應恒沸物的組成[1]，運用軟件制圖更容易獲得。

因此，在實驗數據結果處理上，學生能夠運用自己所擅長的軟件處理各自的實驗數據并繪圖，較為方便快捷，所處理的實驗數據誤差小、得到的實驗報告更科學、合理，有利于提高自身的綜合處理能力，為今后從事科研工作打好基礎。

四、廢液的回收再利用

環己烷-乙醇體系是具有正偏差的恒沸體系，用萃取分離的方法可以將環己烷-乙醇廢液分離。乙醇的萃取率可達98%以上，萃取后環己烷經精制、乙醇經蒸餾脫水后可以用作雙液系氣液平衡相圖實驗。

雙液系氣—液平衡相圖實驗在我校開設專業范圍較廣，學生人數多、批次多，不可避免地將產生大量的環己烷、乙醇廢液。如果能夠將廢液進行分離、回收、再利用，那么不僅可以減少對環境的污染，同時也能節省一筆較為可觀的實驗經費。

五、結論

通過對雙液系氣—液平衡相圖實驗改進的分析，較為詳細地討論了該項目從實驗體系選擇、實驗裝置改進、數據處理改進、廢液回收利用等各個方面的情況。希望通過我們在該實驗中的一些改進措施，能夠為其他同行在教材撰寫、裝置改造、實驗方法改良等一系列工作中提供一定的幫助。

參考文獻：

[1]任素貞，賀民，紀敏，郝策.深化物理化學實驗教學，培養學生科研能力——關于雙液系氣液平衡最低恒沸點的確定[J].化工高等教育，2015，144（4）：67-69.

[2]黃桂萍，肖紅，尹波，胡躍華.雙液體系氣—液平衡相圖測定方法的探討[J].贛南師范學院學報，2006，1（6）：82-84.

[3]徐旭耀，周曉平，潘榮楷.地方高校物理化學實驗存在的問題與創新實踐[J].廣東化工，2013，40（5）：128-130.

[4]李浩，張喜斌，金真.地方院校物理化學實驗教學改革探討[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：114-115.

[5]張秋霞，王香.改革物理化學實驗教學提高實驗教學質量[J].實驗室科學，2007，10（5）：45-46.

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[8]劉巋，石燕.Origin在處理“雙液系氣液平衡相圖”實驗數據中的應用[J].赤峰學院學報，2010，（26）：15-16.