利用簡單蒸餾和分餾分離兩組分液體混合物

熊英王曉玲 侯安新

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實驗中心 湖北武漢 430072)

有機化學(xué)實驗不僅是對有機化學(xué)理論課的重要補充，而且是學(xué)生熟練掌握有機化學(xué)實驗基本操作技能的基礎(chǔ)性實驗課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生在實踐中鍛煉獨立操作能力及加深對相關(guān)理論知識的理解，為以后從事科研工作打下良好基礎(chǔ)。近年來，各高等院校越來越認(rèn)識到培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的重要性，都在教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方式上進行著積極探索與嘗試。

傳統(tǒng)的有機化學(xué)實驗教學(xué)多以訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能(比如蒸餾、萃取、過濾、重結(jié)晶、色譜、熔點測定等)為目標(biāo)來設(shè)計、安排實驗。這樣就容易造成過分強調(diào)技能的培養(yǎng)，而忽視對學(xué)生化學(xué)思維的啟迪。而思維的啟迪是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的一項重要內(nèi)容。因此，實驗內(nèi)容的設(shè)計對取得良好的實驗教學(xué)效果以及人才的培養(yǎng)顯得格外重要。

蒸餾是分離、提純液體化合物的常用方法，也是學(xué)生必須熟練掌握的基本操作之一。由于蒸餾(特別是簡單蒸餾)操作簡單，其實驗內(nèi)容的設(shè)計往往被忽視，如工業(yè)乙醇的簡單蒸餾[1]。我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該實驗重在訓(xùn)練簡單蒸餾操作(含沸點測定)，缺乏其他分析、表征方法。實驗完畢，學(xué)生容易走入誤區(qū)(比如，兩組分液體混合物沸點相差30℃以上，就可以用簡單蒸餾分離開來；沸點穩(wěn)定的液體就是純的化合物)。這顯然不符合對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求?；谝陨峡紤]，我們重新設(shè)計了蒸餾的實驗內(nèi)容，意在引導(dǎo)學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，培養(yǎng)他們分析問題以及綜合運用所學(xué)知識解決問題的能力。

1 實驗?zāi)康?/h2>

① 掌握簡單蒸餾、分餾分離兩組分(丙酮+正丁醇)等體積液體混合物的基本原理與方法。

② 掌握阿貝折光儀測定液態(tài)有機化合物折光率的基本原理與方法。

2 實驗簡介

簡單蒸餾和分餾的基本原理相同，都是利用物質(zhì)的沸點不同，將液體加熱氣化，同時使產(chǎn)生的蒸氣冷凝液化并收集的聯(lián)合操作。在蒸餾過程中，低沸點的組分先蒸出，高沸點的組分后蒸出，從而達到分離提純的目的。簡單蒸餾和分餾裝置的不同只是分餾裝置多一個分餾柱，液體能夠在分餾柱中經(jīng)多次的氣化、冷凝，相當(dāng)于進行多次簡單蒸餾。因此，它們的應(yīng)用范圍及分離效果有很大差異。一般來說，液體中各組分的沸點要相差至少30℃以上，才有可能進行簡單蒸餾分離；而分餾則可使沸點相近、不能用簡單蒸餾分離的液體混合物得到有效的分離。

丙酮與正丁醇的沸點雖然相差較大(表1，Δt=61.2℃)，但簡單蒸餾丙酮與正丁醇等體積混合物，餾出物沸點從第1滴開始一直穩(wěn)步上升直至正丁醇的沸點，也就是說丙酮與正丁醇并沒有完全分離開來。改用分餾裝置以后，能夠收集到沸點穩(wěn)定的兩個組分，并證明它們分別是丙酮與正丁醇。

阿貝折光儀由于操作簡單、容易掌握，是有機化學(xué)實驗室的常備儀器。測量折光率所需的樣品量少、測量精密度高，可準(zhǔn)確到小數(shù)點后4位。因此，作為鑒定液體有機化合物的重要物理常數(shù)，折光率比沸點更為可靠。折光率不僅可以用來鑒定未知化合物，也可以用來確定液體混合物的組成。通過對丙酮-正丁醇混合液折光率和組成標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，發(fā)現(xiàn)它們有很好的線性關(guān)系。因此，通過對簡單蒸餾與分餾餾出液折光率的測定，可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上方便地讀出餾分中各組分的含量，確定餾分的純度。

3 實驗試劑及主要儀器

實驗試劑：丙酮(分析純)，正丁醇(分析純)。

主要儀器：5mL帶刻度移液管，洗耳球，50mL圓底燒瓶，蒸餾頭，磨口溫度計，直形冷凝管，真空尾接管，10mL量筒，長頸三角漏斗，試管(7支)，沸石，電熱套，變壓器，升降臺，WAY-2S 數(shù)字阿貝折射儀(上海申光儀器儀表有限公司)。

4 實驗裝置

實驗所用蒸餾裝置見圖1。

圖1 蒸餾裝置

5 實驗步驟

5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用帶刻度的5mL移液管移取相應(yīng)的試劑,按表2配制標(biāo)準(zhǔn)溶液[3]。按表1中的相關(guān)物理常數(shù)計算各標(biāo)準(zhǔn)溶液中正丁醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(w(正丁醇))，記錄在表2中。用阿貝折光儀測定各標(biāo)準(zhǔn)溶液的折光率，記錄在表2中，測定溫度為25℃，折光率記為n25。以各標(biāo)準(zhǔn)溶液的折光率(n25)為橫坐標(biāo)，正丁醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(w)為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)。

表1 化合物的物理常數(shù)[2]

*折光率為19.4℃時的測定值,#折光率為20℃時的測定值。

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制及其折光率的測定

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

該標(biāo)準(zhǔn)曲線可由教師提供。如果學(xué)生測定折光率時的溫度高于或低于25℃，可由折光率校正公式進行校正：

n25=nt+0.00045×(t-25)

其中，t為測定時儀器顯示的溫度，nt為液體在測定溫度下的折光率，n25為液體25℃時的折光率。例如，某液體20℃時測定的折光率為1.3698，則n20=1.3698，那么25℃時的折光率為：

n25=nt+0.00045×(t-25)=1.3698+0.00045×(20-25)=1.3676

5.2 簡單蒸餾

用阿貝折光儀分別測定7個餾分的折光率并記錄測定時的溫度，將數(shù)據(jù)記錄在表4中。如果餾分測定溫度不是25℃，用折光率校正公式將測定的折光率換算成相應(yīng)于25℃時的數(shù)值，再從標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)上讀出正丁醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(w)，將數(shù)據(jù)記錄在表4中。

表3 簡單蒸餾與分餾餾出液體積及溫度記錄

表4 簡單蒸餾與分餾各餾分折光率測定及組成

5.3 分餾

分餾裝置與簡單蒸餾裝置相似，不同的只是在圓底燒瓶和蒸餾頭之間插入一根韋氏分餾柱。分餾操作步驟與簡單蒸餾基本相同，但要注意控制蒸餾速度以不超過每秒1滴為宜。同樣收集等體積的6個餾分，并注意記錄相應(yīng)的柱頂溫度作為餾出溫度，將數(shù)據(jù)記錄在表3中。由于分餾速度較慢，在此過程中液體有一定損失(揮發(fā))；同時，一部分液體作為滯留液不能被蒸出；另外，燒瓶中又要保留一定量的殘液，考慮到這3部分損失，我們只接收了等體積的6個餾分。

用阿貝折光儀分別測定6個餾分的折光率并記錄測定時的溫度，將數(shù)據(jù)記錄在表4中。如果測定溫度不是25℃，用折光率校正公式將測定的折光率換算成相應(yīng)于25℃時的數(shù)值。再從標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出正丁醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(w)，將數(shù)據(jù)記錄在表4中。

6 數(shù)據(jù)記錄與處理

① 根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，以餾出液體積為橫坐標(biāo)，餾出溫度為縱坐標(biāo)，在同一坐標(biāo)上分別繪制簡單蒸餾與分餾曲線。

② 根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，以餾分序號為橫坐標(biāo)，正丁醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(w)為縱坐標(biāo)，在同一坐標(biāo)上分別繪制簡單蒸餾與分餾的餾分組成曲線。

7 結(jié)果與討論

① 比較簡單蒸餾與分餾曲線中沸點隨蒸餾過程的變化，并以拉烏爾定律及兩組分氣液平衡相圖來解釋。對兩種分離方法的分離效果進行評價。

② 比較簡單蒸餾與分餾的餾分組成曲線的變化，它與沸點的變化是否一致？評價兩種分離方法的分離效果。

③ 丙酮與正丁醇的沸點雖然相差較大(61.2℃)，簡單蒸餾卻很難將它們完全分離開來，試從分子結(jié)構(gòu)分析可能的原因。

8 時間安排

① 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制最好由教師提供，也可以安排學(xué)生在做簡單蒸餾時完成。

② 該實驗可以安排學(xué)生分兩次獨立完成，每次6學(xué)時。

③ 該實驗也可以安排兩個學(xué)生合作完成，一個學(xué)生做簡單蒸餾，另一個學(xué)生做分餾，共享數(shù)據(jù)。6學(xué)時。

④ 數(shù)據(jù)處理、結(jié)果與討論在正式的實驗報告中完成。

9 教學(xué)實踐效果

該實驗已在我院2009級星拱班和2010級弘毅班的有機化學(xué)實驗中開設(shè)過兩次，均取得了令人滿意的教學(xué)效果。學(xué)生分兩次獨立完成該實驗，每次6學(xué)時。通過比較簡單蒸餾與分餾曲線以及比較簡單蒸餾與分餾的餾分組成曲線，學(xué)生能夠?qū)唵握麴s與分餾的分離效果做出正確判斷，即分餾能夠獲得良好的分離效果。

該實驗不僅基礎(chǔ)性強，能訓(xùn)練簡單蒸餾和分餾兩種基本操作，而且涉及儀器使用、數(shù)據(jù)處理以及運用所學(xué)有機化學(xué)、物理化學(xué)知識對結(jié)果進行分析、討論，鍛煉了學(xué)生的綜合實驗技能。更為重要的是，通過引導(dǎo)學(xué)生對分離過程的分析以及分離效果的比較和評價，可培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題、解決問題的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

參 考 文 獻

[1] 武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實驗中心.有機化學(xué)實驗.武漢：武漢大學(xué)出版社，2004

[2] Hodgman C D,Weast R C,Selby S M.Handbook of Chemistry and Physics.37th ed.Cleveland,Oh:Chemical Rubber Publ.Co.,1955

[3] 武漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院.物理化學(xué)實驗.武漢：武漢大學(xué)出版社，2000