凝固點降低法測摩爾質量實驗優化方法

＊藍 邦

（嘉應學院化學與環境學院 廣東 514015）

引言

凝固點降低法測定摩爾質量實驗是經典的物理化學實驗之一。該實驗是基于稀溶液依數性——凝固點降低的性質，利用簡單的實驗裝置，計算溶質的摩爾質量。經典的凝固點降低實驗室在實驗過程中存在以下三個問題，（1）通常采用簡單的冰水浴，環境溫度不恒定；（2）實驗過程中當溶液或者溶劑溫度降到一定范圍內時要加上套管減緩溫度降低的速度，并且需要改變攪拌速度。在此過程中學生可能會因為操作經驗不足使溶液過冷，無法起晶，導致實驗失敗。（3）在實際操作過程中，由于受到寒劑溫度的影響，往往測不到溫度回升并保持相對恒定這個階段。觀察到的現象是溫度回升后繼續下降直到完全結晶。學生如何利用實驗數據計算摩爾質量時會遇到困難。為了解決這些問題，很多設備生產廠家都在想辦法改進裝置，其改進途徑包括：（1）使用半導體制冷或者低溫恒溫水浴[1-4]代替冰水浴，以改進寒劑溫度不恒定的情況[5]；（2）利用機械攪拌代替人工攪拌，減少攪拌速度導致的溶液過冷等。雖然改進的設備在一定程度上能讓實驗順利開展，但成本高，且設備需要定制。

針對實驗過程中的問題，我們對現有的實驗裝置進行優化，主要包括四個方面：（1）采用大小兩個燒杯，裝入冰水混合物，形成套管式的恒溫裝置，解決實驗過程中冰水浴不穩定的情況，同時燒杯透明，容易觀察玻璃管中的實驗現象；（2）定制雙層玻璃樣品管，以減少學生操作過程中因缺乏操作經驗而錯過增加隔熱套管的時間；（3）用磁力攪拌代替人工攪拌或機械攪拌，不僅可以控制實驗過程攪拌速度，還能減少藥品的消耗，容易觀察到結晶的現象；（4）優化數據處理方法，利用最低點溫度代替凝固點溫度。

1.實驗裝置的改進和計算方法的優化

(1)實驗裝置的改進

改進前后的實驗裝置如圖1所示。

圖1 凝固點測定裝置示意圖

原有裝置采用單層燒杯，冰水浴溫度受環境溫度影響較大，特別是在夏天進行實驗時，多數裝置的改進方法是在單層燒杯外增加隔熱層，以減少冰水浴溫度變化。本實驗是采用250mL的燒杯放置在1000mL的燒杯中（注：在250mL和1000mL的燒杯中都放有冰水浴）。避免冰水浴溫度變化過快。因為燒杯是透明的，在實驗過程中可以清楚地到觀察結晶的實驗現象。在攪拌方面，改進后的實驗裝置采用磁力攪拌代替人工攪拌或者機械攪拌。在實驗套管方面，使用定制雙層樣品管代替原有的套管。此改進措施能減少學生操作失誤，集中觀察實驗現象，容易控制攪拌速度，且可同時記錄溫度。

(2)計算方法的優化

實驗中，要分別測量溶劑和溶液的凝固點。純溶劑的步冷曲線如圖2（a）所示，將溶劑逐漸降低至過冷，溫度降低至一定值時出現結晶，當晶體生成時，放出的熱量使體系溫度回升，而后溫度保持相對恒定。對于純溶劑來說，在一定壓力下，凝固點是固定不變的，直到全部液體凝固成固體后才會下降。相對恒定的溫度即為凝固點。

圖2 溶劑和溶液的步冷曲線

對于溶液來說，除溫度外還有溶液濃度的影響。當溶液溫度回升后，由于不斷析出溶劑晶體，所以溶液的濃度逐漸增大，凝固點會逐漸降低，導致凝固點不是一個恒定值。如果把回升的最高點溫度作為凝固點，這時由于已有溶劑晶體析出，所以溶液濃度已不是起始濃度，而是大于起始濃度，這時的凝固點不是原濃度溶液的凝固點。因此需要精確測量，影測出步冷曲線，按照圖2（b）所示方法，外推至Tf校正。

但是在實際操作過程中，由于受到寒劑溫度的影響，往往測不到溫度回升并保持相對恒定這個階段。觀察到的現象是溫度回升后繼續下降直到完全結晶。因此，本實驗把測量凝固點溫度，改為觀察最低點溫度，如圖2可知。

據此，已知溶劑（環己烷）的凝固點降低常數 Kf=20.0K·kg·mol-1，通過實驗測定凝固點降低值 ΔTf，℃，即可求得溶質的摩爾質量MB，g·mol-1。

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優化后的方法既能方便學生觀察實驗現象，同時也能提高實驗結果的準確度。

2.實驗部分

JDT-4B型數字式雙通道溫度溫差測量儀（南京南大萬和科技有限公司）、JBZ-14H型磁力攪拌器（上海大普儀器有限公司）、ME104E型電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）、定制雙層套管、燒杯、移液管、環己烷（分析純）、萘（分析純）。

(1)實驗步驟

①未改進裝置的實驗操作步驟

A.安裝儀器

按照圖1（a）安裝實驗裝置。

B.調節冰水浴溫度

C.溶劑凝固點得測定

用移液管準確移取20mL環己烷注入凝固點測定管（注意不要使環己烷濺在管壁上），塞緊軟木塞（以免溶劑揮發），直接浸入冰浴（注：在接近凝固點測量時，盡量避免攪拌，使冰浴溫度保持在一定的區間）。觀察溫差測量儀讀數，當溫度出現回升時，記下最低溫度的讀數。重復測定3次，取其平均值。

D.溶液凝固點的測定

取出凝固點測定管，使管中結晶全部融化，加入準確稱量的萘0.10g左右（應防止其粘著于管壁、溫差探頭或攪棒上，此量約使其溶液凝固點降低0.5℃），使其完全溶解。按上述方法測定溶液的最低點溫度，實驗過程中，每隔15s記錄一次溫差讀數。重復測定3次，取其平均值。

②改進裝置的實驗操作步驟

A.安裝儀器

按照圖1（b）安裝實驗裝置（注：溫差測量儀的探頭應懸空在溶劑或溶液中，不可與凝固點測定管或者磁力攪拌子相接觸，避免操作誤差）。

B.調節冰水浴溫度

C.溶劑凝固點的測定

用移液管準確移取10mL環己烷注入樣品管中，塞緊硅膠塞。全程保持均勻快速的磁力攪拌速度。觀察溫差測量儀的讀數，實驗過程中，每隔15s記錄一次溫差讀數。當溫度出現回升時，記下最低溫度的讀數。重復測定3次，取其平均值。

D.溶液凝固點的測量

取出凝固點測定管，溫熱使管中結晶全部融化，加入準確稱量的萘0.05g左右使其完全溶解。與測定溶劑的凝固點的實驗條件相同，按上述方法測定溶液的最低點溫度（相對值），重復測定3次，取其平均值。

(2)實驗數據分析

按照2.1.1的實驗步驟進行操作實驗數據見表1。

表1 改進前凝固點降低測定萘分子量

按照2.1.2的實驗步驟操作，實驗結果見表2。

表2 改進后凝固點降低測定萘分子量

對比改進前后兩種實驗設備的實驗結果可以看出，采用改進后的實驗裝置以及優化的計算方法后，實驗結果的相對誤差小于未改進的裝置。此結果說明采用磁力攪拌、雙層燒杯冰水浴分別代替機械攪拌、保溫層和原有的單層樣品管后實驗對環境溫度要求降低。由實驗結果可知，改進前的冰水浴恒定在實驗要求的2.5～3.5℃范圍內，但實驗結果相對誤差較大。改進后的實驗裝置，雖然冰水浴的溫度波動較大，但實驗結果相對誤差較小。說明采用雙層樣品管以及磁力攪拌的方法不僅可以降低實驗受寒劑溫度的影響，同時也能觀察到結晶的過程，學生容易操作。

3.結論

通過對凝固點降低法測摩爾質量的實驗中影響因素的探究可以發現，若采用雙層樣品管、磁力攪拌和雙層冰水浴分別代替機械攪拌、保溫層和單層樣品管，不僅可以減少實驗因環境溫度引起的實驗誤差，保證實驗結果的準確率，也可以減少試劑的使用量，減少對環境的污染，且具有學生容易操作的優勢。