熔點(diǎn)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的影響因素分析

秦 序

(隴南師范高等專科學(xué)校 生化系，甘肅 隴南 742500)

熔點(diǎn)是晶體有機(jī)化合物的重要物理特性，熔點(diǎn)測(cè)定是對(duì)固體有機(jī)化合物純度進(jìn)行判定的基本手段之一.由于大多數(shù)有機(jī)化合物的熔點(diǎn)都在300℃以下，比較容易測(cè)定，所以利用熔點(diǎn)測(cè)定可以估計(jì)出有機(jī)化合物的純度[1].熔點(diǎn)測(cè)定雖然是比較常見的定性實(shí)驗(yàn)方法，但是要獲得科學(xué)、準(zhǔn)確的結(jié)果是很不容易的.測(cè)定過程中由于人為或外界因素的干擾，使得熔點(diǎn)的測(cè)定會(huì)出現(xiàn)一些偏差，如果能消除掉這些干擾因素，熔點(diǎn)測(cè)定值將更接近于真實(shí)值，化合物純度的驗(yàn)證將更加準(zhǔn)確.以下找出實(shí)驗(yàn)過程中的存在的一些問題，并對(duì)其進(jìn)行分析和重新設(shè)計(jì)，這樣會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和效率，效果會(huì)更加明顯.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馊埸c(diǎn)測(cè)定的意義，掌握測(cè)定熔點(diǎn)的操作.

實(shí)驗(yàn)原理：在大氣壓下，化合物受熱由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，此時(shí)固液兩相蒸氣壓一致，固液兩相平衡共存，這時(shí)的溫度稱為化合物的熔點(diǎn) ，即固體化合物固液兩相在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下達(dá)相平衡時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度.(以下是蒸氣壓和溫度、時(shí)間和溫度曲線圖)

圖1 物質(zhì)的蒸氣壓和溫度變化的關(guān)系

圖2 相隨時(shí)間和溫度而變化

儀器和藥品

儀器： 200℃溫度計(jì)、毛細(xì)管、長(zhǎng)玻璃管、表面皿、橡皮圈、 酒精燈等.

藥品： 尿素、濃H2SO4

實(shí)驗(yàn)裝置：(略)

實(shí)驗(yàn)過程：

1 安裝裝置

在安裝裝置之前，首先要對(duì)裝置中注意的事項(xiàng)和影響測(cè)定的因素進(jìn)行校正和消除，使得整個(gè)測(cè)定過程中誤差減小到最低，以下是比較普遍的幾種影響誤差的現(xiàn)象，對(duì)此進(jìn)行改進(jìn).

(1)溫度計(jì)進(jìn)行校正.測(cè)熔點(diǎn)時(shí)，溫度計(jì)上的熔點(diǎn)讀數(shù)與真實(shí)熔點(diǎn)之間常有一定的偏差.這可能由于以下原因：首先，溫度計(jì)的制作質(zhì)量差，如毛細(xì)孔徑不均勻，刻度不準(zhǔn)確.其次，溫度計(jì)有全浸式和半浸式兩種，全浸式溫度計(jì)的刻度是在溫度計(jì)汞線全部均勻受熱的情況下刻出來(lái)的，而測(cè)熔點(diǎn)時(shí)僅有部分汞線受熱，因而露出的汞線溫度較全部受熱者低.為了校正溫度計(jì)，可選用純有機(jī)化合物的熔點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)或選用一標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)校正.校正溫度計(jì)有兩種辦法：a.可用一套標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與它比較，進(jìn)行讀數(shù)校正，這種方法稱比較法.b.可采用純有機(jī)化合物的熔點(diǎn)(文獻(xiàn)值)作為校正的標(biāo)準(zhǔn)，選擇數(shù)種已知熔點(diǎn)的純化合物為標(biāo)推，測(cè)定它們的熔點(diǎn)，以觀察到的熔點(diǎn)作縱坐標(biāo)，測(cè)得熔點(diǎn)與已知熔點(diǎn)差值作橫坐標(biāo)，畫成曲線，即可從曲線上讀出任一溫度的校正值.

圖3 溫度校正數(shù)(℃)

(2)毛細(xì)管要干凈，管壁要薄且均勻.毛細(xì)管必須符合規(guī)定，選用內(nèi)徑為1～1.5mm，長(zhǎng)40～50mm，管壁厚0.1～0.5mm均勻的毛細(xì)管最好.必須干燥、潔凈.如含有灰塵的話，通過實(shí)驗(yàn)證明能產(chǎn)生4～10℃左右的誤差.樣品不干燥或含有雜質(zhì)，會(huì)使得熔點(diǎn)偏低，熔程隨之變大.如果管徑粗細(xì)不勻稱、管壁薄厚不均勻的話，由于薄壁毛細(xì)管的傳熱阻力小，使管外液體的對(duì)流對(duì)樣品影響快，則測(cè)出的結(jié)果偏低.反之，測(cè)出的數(shù)據(jù)將偏高.

(3)研磨及裝填樣品.裝樣的好壞是確保實(shí)驗(yàn)成敗的另一個(gè)關(guān)鍵因素.在實(shí)驗(yàn)中，將樣品在100℃左右的恒溫干燥箱中烘干后，在研缽中樣品粉末要研細(xì)，將其聚成小堆，將毛細(xì)管開口插入樣品堆里，樣品會(huì)擠壓進(jìn)入清潔干燥的且一端熔融封閉的毛細(xì)管中，然后將毛細(xì)管在玻璃管中自上而下投擲，使其填裝結(jié)實(shí)，不應(yīng)留有空隙，，毛細(xì)管中樣品高度為2～3mm左右時(shí)，熔融封好毛細(xì)管的另一端，防止受潮.其實(shí)在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)高度2～3mm把握不是很準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中大部分學(xué)生填裝樣品的高度都超過了3mm左右，往往會(huì)造成毛細(xì)管中的樣品量有時(shí)太少，或者有時(shí)太多，此時(shí)會(huì)造成熔程變大，熔點(diǎn)偏高.為了提高測(cè)定的精確度，首先，裝樣時(shí)毛細(xì)管內(nèi)所裝樣品的高度可利用尺子來(lái)度量.其次，毛細(xì)管太細(xì)，樣品裝填是否緊密、均勻，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)也不容易觀察到.填裝樣品不結(jié)實(shí)，就會(huì)有空隙，造成傳熱不均勻，測(cè)得熔程變大而使得結(jié)果不準(zhǔn)確.為了消除這種影響，讓每個(gè)學(xué)生準(zhǔn)備一個(gè)簡(jiǎn)單的放大鏡，把裝好樣品的毛細(xì)管放在放大鏡前觀看是否有空隙，借助放大鏡觀察所裝樣品夯實(shí)的程度.如果觀察到所填裝樣品有間隙或疏松不均勻時(shí)，可以再重新填裝.

2 熔點(diǎn)測(cè)定

除了上述因素及填裝樣品操作不當(dāng)時(shí)直接影響熔點(diǎn)測(cè)定結(jié)果外，加熱速率、起始溫度等也對(duì)熔點(diǎn)的測(cè)定值影響很大.從熱平衡和過熱現(xiàn)象兩方面進(jìn)行解釋，可以認(rèn)為熔化過程是固液發(fā)生相變的過程.在升溫速率較慢的情況下，加熱裝置和樣品受熱基本接近熱平衡狀態(tài).在升溫速率較快的情況下，會(huì)導(dǎo)致樣品內(nèi)部受熱不一致，使得溫度分布不均勻，樣品會(huì)發(fā)生過熱現(xiàn)象.高升溫速率會(huì)直接影響毛細(xì)管壁與樣品、外層樣品與內(nèi)層樣品間的傳熱性質(zhì)，導(dǎo)致溫度的梯度增大，整個(gè)加熱體系不能及時(shí)響應(yīng)，因此也就不能準(zhǔn)確記錄溫度變化的過程，升溫速度過快的情況下，測(cè)得熔點(diǎn)會(huì)偏高.低升溫速率下，傳熱有足夠充分的時(shí)間響應(yīng)，因此能比較準(zhǔn)確測(cè)定熔點(diǎn)[4].

(1)嚴(yán)格控制升溫速率.在此過程中，用溫度計(jì)水銀球蘸取少量濃H2SO4，小心地將毛細(xì)管粘附于水銀球壁上，剪取一小段橡皮圈套在溫度計(jì)和熔點(diǎn)管的上部，將粘附有毛細(xì)管的溫度計(jì)小心地插入濃H2SO4中.首先，用小火進(jìn)行加熱.剛開始時(shí)，升高溫度速度可以快些，當(dāng)濃H2SO4溫度距離該樣品熔點(diǎn)約10～15℃時(shí)，調(diào)節(jié)溫度使溫度計(jì)上升約1～2℃/min，快接近熔點(diǎn)時(shí)，升溫速度應(yīng)更慢，溫度大約上升0.2～0.3℃/min.保證有充足的時(shí)間讓熱量由毛細(xì)管外傳至毛細(xì)管內(nèi)使樣品熔化；其次，學(xué)生不可能同時(shí)觀察溫度計(jì)所示讀數(shù)和樣品的變化情況，加熱過快只能使誤差加大，所以只有緩慢加熱才可使此項(xiàng)誤差減小.觀察樣品，在接觸毛細(xì)管的內(nèi)壁面上產(chǎn)生細(xì)小液滴時(shí)的溫度即為該樣品的初熔點(diǎn).記下樣品開始塌落并有液相產(chǎn)生時(shí)(初熔)和固體完全消失時(shí)(全熔)的溫度讀數(shù)，即為該化合物的熔點(diǎn)距，或者稱為熔程.

(2)外部溫度的因素.在實(shí)際測(cè)定熔點(diǎn)時(shí)，以上因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)定，歸結(jié)起來(lái)有兩大因素，儀器測(cè)試條件方面的影響因素(如樣品、起始溫度、升溫速率、毛細(xì)管等)和樣品方面的影響因素(如顆粒大小、樣品用量、樣品純度等[2]).實(shí)驗(yàn)室測(cè)定熔點(diǎn)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)要比較高的溫度才能使樣品熔融，外部環(huán)境的溫度雖有一定的影響，但是影響不是很大，在此實(shí)驗(yàn)中可以忽略不計(jì).

3 在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題

熔點(diǎn)測(cè)定是一種比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方法.對(duì)于剛接觸有機(jī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)操作技能方面有實(shí)用價(jià)值.本實(shí)驗(yàn)裝置和所使用的儀器都比較簡(jiǎn)單，操作過程也不是很復(fù)雜.要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程要提前預(yù)習(xí)，注意哪些環(huán)節(jié)是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，如要對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行、細(xì)心裝樣、把握加熱速率等.培養(yǎng)學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)思考問題，解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些問題的能力；實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生一定要專心細(xì)致，有益于學(xué)生養(yǎng)成對(duì)待事物的專注精神；在講授和指導(dǎo)學(xué)生操作時(shí)，盡量減少樣品的用量，使學(xué)生理解為本實(shí)驗(yàn)采用很少量的樣品就可以達(dá)到預(yù)期目的和實(shí)驗(yàn)效果.實(shí)驗(yàn)做完后還要讓學(xué)生將廢液、廢渣分類處理，以培養(yǎng)他們勤儉節(jié)約的觀念，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí).

綜上所述，實(shí)驗(yàn)室在測(cè)定樣品的熔點(diǎn)時(shí)，一定要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行.應(yīng)該讓學(xué)生特別注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做好記錄.在儀器因素和操作因素方面，盡可能減小誤差的產(chǎn)生，即避免、減少測(cè)定過程中所出現(xiàn)的誤差，增強(qiáng)學(xué)生考慮問題的全面性.

參考文獻(xiàn)：

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