凝固點(diǎn)降低法測定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化改進(jìn)

王 前

(首都師范大學(xué)化學(xué)系，北京 100048)

凝固點(diǎn)降低法測定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)作為一項(xiàng)經(jīng)典的物理化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，已有百年歷史.該實(shí)驗(yàn)基于稀溶液的依數(shù)性，利用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置，可以計(jì)算物質(zhì)的摩爾質(zhì)量.此外，在實(shí)際的科學(xué)研究及生活中，凝固點(diǎn)降低法還可以用來確定活度系數(shù)[1-4]、締合系數(shù)[4-5]、電離度[6]以及牛奶中含水量的測定[7].經(jīng)典的凝固點(diǎn)降低測定實(shí)驗(yàn)裝置存在以下問題：寒劑溫度不易控制、起晶困難等.目前，國內(nèi)外對該實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)有很多，但多數(shù)改進(jìn)引入復(fù)雜或昂貴的儀器設(shè)備，比如低溫恒溫槽[8]、定制螺旋盤管[9]、加熱套管[10-11]、攪拌傳動裝置[12]等.雖然以上改進(jìn)方法能解決問題，但所使用的裝置較為復(fù)雜，有些設(shè)備還需定制，且增加了維護(hù)難度.

針對經(jīng)典實(shí)驗(yàn)裝置，本文在以下兩個方面進(jìn)行了改進(jìn)：

(1) 在燒杯外部設(shè)置一半封閉的泡沫保溫層，對寒劑起保溫作用，同時在開口處還可以觀察燒杯內(nèi)部的凝固點(diǎn)管，

(2) 將此裝置放置于有感溫探頭的磁力攪拌器上，使用磁力攪拌器控制凝固點(diǎn)管內(nèi)的攪拌速度，同時利用其感溫探頭監(jiān)測寒劑溫度的變化.

裝置改進(jìn)后，不僅操作簡單，而且實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和重復(fù)性都有所提高.

1 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及說明

改進(jìn)前，本校使用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1a[13]，改進(jìn)后的裝置如圖1b.

在原有裝置的基礎(chǔ)上，制作了半封閉的泡沫保溫層，套在燒杯外部，并留出觀察燒杯內(nèi)凝固點(diǎn)管的位置.這樣，既可以利用泡沫的保溫性控制寒劑溫度在短時間內(nèi)基本保持不變，又便于觀察凝固點(diǎn)內(nèi)液體的狀態(tài).將此裝置搭建好后，置于轉(zhuǎn)速可調(diào)、帶熱電偶的磁力攪拌器上，替代之前老式的、不能定量控制轉(zhuǎn)速、不能測溫的磁力攪拌器，并以攪拌器上的感溫探頭替代之前的酒精溫度計(jì)，監(jiān)測寒劑溫度變化.本裝置采用的磁力攪拌器型號為IKA RCT BASIC.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

環(huán)己烷(AR)、萘(AR)、JDW-3F精密電子溫差測量儀(南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所)、AR1140電子天平(美國奧豪斯儀器有限公司)、移液管、冰塊、純凈水.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1儀器安裝及預(yù)熱

按圖將凝固點(diǎn)測定儀安裝好，并將感溫探頭通過膠塞插入凝固點(diǎn)管.凝固點(diǎn)管、感溫探頭均須清潔和干燥.打開“精密電子溫差測量儀”的電源開關(guān)，預(yù)熱5 min.

1.凝固點(diǎn)管 2.感溫探頭 3.攪拌磁子 4.空氣套管 5.酒精溫度計(jì) 6.寒劑 7.攪拌器 8. 感溫探頭(連接攪拌器) 9. 磁力攪拌器圖1 凝固點(diǎn)測定儀示意圖(a改進(jìn)前， b 改進(jìn)后)

2.2.2調(diào)節(jié)寒劑的溫度

調(diào)節(jié)冰水的量控制寒劑的溫度低于凝固點(diǎn)2 ℃左右.間斷地補(bǔ)充少量碎冰，使寒劑溫度基本保持不變.

2.2.3純?nèi)軇┠厅c(diǎn)的測定

(1)將準(zhǔn)備好的凝固點(diǎn)測定儀整套裝置放在磁力攪拌器上.用移液管準(zhǔn)確吸取25 mL環(huán)己烷，加入凝固點(diǎn)管內(nèi)，并向管內(nèi)放置一小磁子，將盛有環(huán)己烷的凝固點(diǎn)管直接插入寒劑中，開動攪拌.

(2)待凝固點(diǎn)管內(nèi)溶液稍冷后，將凝固點(diǎn)管自寒劑中取出，將管外冰水擦干，放入空氣套管內(nèi).待凝固點(diǎn)管內(nèi)有固體析出時，按下“精密電子溫差測定儀”上的“置零”按鈕，使儀器溫差數(shù)值顯示為零.

(3)由計(jì)算機(jī)桌面上“凝固點(diǎn)降低法測摩爾質(zhì)量”圖標(biāo)進(jìn)入凝固點(diǎn)測量程序，點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)定”進(jìn)行測量參數(shù)設(shè)置.橫軸設(shè)定6 min.縱軸設(shè)定范圍在近似凝固點(diǎn)上下0.3 ℃.數(shù)據(jù)采集周期為3 s.確定設(shè)定參數(shù)，關(guān)閉“參數(shù)設(shè)定”，進(jìn)入“開始實(shí)驗(yàn)”界面.

(4)取出粗測后的凝固點(diǎn)管，用手溫?zé)?，使管中的固體完全熔化.再將凝固點(diǎn)管直接插入寒劑中，開動攪拌器，使溶劑冷卻.稍后取出擦干放入空氣套管內(nèi)，使環(huán)己烷溫度均勻的逐漸降低.當(dāng)溫度降至接近所設(shè)縱坐標(biāo)范圍時，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”，按屏幕提示操作，開始實(shí)驗(yàn)記錄、保存數(shù)據(jù).

(5)觀察繪出的測量曲線，待有過冷現(xiàn)象出現(xiàn)，注意保持寒劑溫度，待凝固點(diǎn)測量曲線出現(xiàn)一段較穩(wěn)定溫度平臺后，停止實(shí)驗(yàn).

(6)重復(fù)以上步驟，判斷3次，要求測定的溶劑凝固點(diǎn)絕對平均誤差小于±0.003 ℃.

2.2.4溶液凝固點(diǎn)的測定

取出凝固點(diǎn)管，使管中的環(huán)己烷熔化，加入精確稱量的0.2～0.3 g萘.待萘全部溶解后，按溶劑測量方法，先測量近似凝固點(diǎn)，修改圖形坐標(biāo)參數(shù)，再精確測定溶液凝固點(diǎn).注意待溶液過冷后，測定較長時間的溶液液相-溶劑固相平衡溫度下降曲線，以便外推溶液的凝固點(diǎn).重復(fù)3次，要求其絕對平均誤差小于±0.003 ℃.

3 結(jié)果與討論

由于該裝置在寒劑保溫方面和轉(zhuǎn)速方面進(jìn)行了改進(jìn)，因此，我們對這兩方面的改進(jìn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，結(jié)果如下.

3.1 保溫層保溫效果測定

實(shí)驗(yàn)對比了改進(jìn)前后裝置的保溫效果，實(shí)驗(yàn)中所使用的精密溫差測量儀可以用來測定溫度隨時間變化.將寒劑溫度調(diào)至4 ℃左右，打開磁力攪拌器，使寒劑攪拌均勻.在寒劑中插入感溫探頭，打開數(shù)據(jù)采集軟件，由于溫差測量儀顯示數(shù)值并非當(dāng)前溫度，為方便記錄，將初始溫度附近置為零點(diǎn)，監(jiān)測溫度變化.結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)線性擬合，得到改進(jìn)前裝置溫度-時間曲線的斜率為0.002 05 ℃/s，而改進(jìn)后裝置的溫度-時間曲線斜率為0.000 71 ℃/s.斜率相差2.9倍，也就是說實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的6 min內(nèi)，改進(jìn)前裝置的寒劑升溫0.74 ℃，改進(jìn)后裝置寒劑升溫0.26 ℃.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置保溫效果更好，寒劑的溫度基本保持不變.對比使用低溫恒溫槽的情況，打開機(jī)器使溫度降至設(shè)定溫度并維持穩(wěn)定需要15 min左右，而且裝置搭建較為復(fù)雜.本實(shí)驗(yàn)裝置只在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，提高了保溫效果.初調(diào)水溫也很容易，通常的學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，將寒劑溫度從室溫調(diào)至4 ℃只需10 min左右.所以，該裝置非常適合用于學(xué)生實(shí)驗(yàn).

圖2 室溫(25 ℃)下，改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)裝置的保溫效果(a 改進(jìn)前，b改進(jìn)后)

3.2 轉(zhuǎn)速對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

攪拌主要影響三個方面.一方面，當(dāng)環(huán)己烷開始凝固時，首先會在容易成核的地方先結(jié)晶出晶體，如果此時攪拌不夠及時，會導(dǎo)致體系內(nèi)部溫度不均勻；另一方面，環(huán)己烷凝固的同時會放出熱量，攪拌力度不夠的話，也會導(dǎo)致體系溫度不均勻.攪拌速度的控制應(yīng)當(dāng)使體系內(nèi)部溫度均勻，同時劇烈的攪拌不會影響體系的穩(wěn)定；最后一方面，調(diào)節(jié)凝固點(diǎn)管內(nèi)磁子轉(zhuǎn)速還能起到減少過冷狀態(tài)的作用.具體操作方式就是：當(dāng)體系溫度低于近似凝固點(diǎn)0.2～0.3 ℃時急速攪拌，以結(jié)束過冷[14].本工作對攪拌速度的調(diào)節(jié)進(jìn)行了探究，進(jìn)一步量化明確了具體的攪拌速度.

基于改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，本文探討了凝固點(diǎn)管內(nèi)攪拌速度的最優(yōu)條件.在純?nèi)軇┍囟葹? ℃下，按照2.2的實(shí)驗(yàn)方法測定環(huán)己烷的凝固點(diǎn)，析晶前攪拌速度分別為400、500、600、700、800 r/min，析晶后速度提高50 r/min，分別為450、550、650、750、850 r/min.重復(fù)測定3次以上，從它們的步冷曲線讀取各攪拌速度下溶液的凝固點(diǎn)，分別計(jì)算出在不同攪拌速度下萘的摩爾質(zhì)量.數(shù)據(jù)見表1.

從表1中的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)操作過程中所觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析，當(dāng)初始攪拌速度為500 r/min、過冷后調(diào)到550 r/min時，測定溶液的凝固點(diǎn)是最佳的.

3.3 實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果對比

將改進(jìn)后的裝置與改進(jìn)前的裝置進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果對比，結(jié)果如表2和表3所示.

表1 不同攪拌速度下萘的摩爾質(zhì)量測量值

表2 改進(jìn)前裝置學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 改進(jìn)后裝置學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從以上實(shí)驗(yàn)效果對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置得到的結(jié)果誤差更小，調(diào)節(jié)寒劑溫度方面更容易，教學(xué)效果更好.

4 結(jié) 論

本文對凝固點(diǎn)降低法測定萘的摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在原有裝置的基礎(chǔ)上，制作了半封閉的泡沫保溫層，套在燒杯外部，并留出觀察燒杯內(nèi)凝固點(diǎn)管的位置.這樣，既可以利用泡沫的保溫性控制寒劑溫度在短時間內(nèi)基本保持不變，又便于觀察凝固點(diǎn)內(nèi)液體的狀態(tài).將此裝置搭建好后，置于轉(zhuǎn)速可調(diào)、帶熱電偶的磁力攪拌器上，替代之前老式的、不能定量控制轉(zhuǎn)速、不能測溫的磁力攪拌器，并以攪拌器上的感溫探頭替代之前的酒精溫度計(jì)，監(jiān)測寒劑溫度變化.本文測試了該裝置的實(shí)驗(yàn)效果，并對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化.通過實(shí)際的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果對比，改進(jìn)后的裝置能更好地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，且方便推廣使用.