凝固點(diǎn)降低法測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

劉文芳 王連連 趙軍

摘要：凝固點(diǎn)降低法是測(cè)定物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的最常用方法?？紤]到目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)試劑的綠色環(huán)保和實(shí)驗(yàn)操作所造成的偏差，打破常規(guī)的手動(dòng)攪拌，通過水尿素體系測(cè)尿素的相對(duì)分子質(zhì)量，減少了環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的教學(xué)理念。該實(shí)驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并取得良好的教學(xué)反饋。

關(guān)鍵詞：凝固點(diǎn)降低;相對(duì)分子質(zhì)量;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：O642.1

Improvement for the Relative Molecular Weight Determination

of Teaching Experiment by Freezing point fall method

Liu WenfangWang Lianlian*Zhao Jun

Department of Chemistry，Baotou Normal CollegeNeimengguBaotou014030

Abstract：The molecular weight is determined by freezing point fall method in most cases.At present，the deviation made by the environment friendly of experiment reagent and experimental operation are not considered，break the normal hand stirring procedure，the molecular weight of carbamide is determined by the system of the watercarbamide，environmental pollution is decreased，the environment friendly of teaching idea is achieved.It is widely used for the experimental teaching，and achieving well teaching feedback.

Key words：Freezing point fall;Relative molecular weight;Experiment improvement

凝固點(diǎn)降低法測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)是《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，應(yīng)用的是稀溶液的依數(shù)性[12]。大多數(shù)高校的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材用環(huán)己烷或者苯作為溶劑，萘作為溶質(zhì)，通過記錄時(shí)間溫度繪制步冷曲線來確定凝固點(diǎn)，從而來計(jì)算物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量[34]。但是環(huán)己烷是一種有刺激性氣味的液體，對(duì)人的眼和上呼吸道有刺激作用;苯有毒，揮發(fā)性大，暴露空氣中很容易擴(kuò)散，且是一種致癌物質(zhì);萘也有毒，具有刺激作用。師生長(zhǎng)時(shí)間處于這種環(huán)境中，嚴(yán)重影響人的健康，實(shí)驗(yàn)廢液對(duì)環(huán)境造也成了污染。所以，我們必須對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，減少對(duì)環(huán)境造成的影響。

從綠色化學(xué)的理念出發(fā)，我們嘗試找到能代替環(huán)己烷、苯或萘的無毒無害無污染的溶劑和溶質(zhì)。許多地方高校采用傳統(tǒng)的手動(dòng)攪拌及人工記錄溫度來繪制凝固點(diǎn)曲線，溫度不易控制且實(shí)驗(yàn)誤差大[57]。我們使用智能型的凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，用機(jī)械攪拌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)攪拌，應(yīng)用水作為溶劑，尿素作為溶質(zhì)來測(cè)定物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)誤差小。水和尿素試劑無污染，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，降低了實(shí)驗(yàn)的成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

海爾220L電冰箱（海爾公司），SWC-LG（智能型）凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置（南京桑力電子設(shè)備廠），微型電子計(jì)算機(jī)聯(lián)想啟天M2780（附打印機(jī)、顯示器），電子分析天平TB114（北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司），凝固點(diǎn)測(cè)定管，空氣套管，25mL移液管，尿素（AR分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司），氯化鈉（分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司），實(shí)驗(yàn)用水為三重蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 寒劑溫度的調(diào)節(jié)

在冰槽（保溫桶）內(nèi)加入一定量的水和碎冰，再加入3%～4%結(jié)冰的氯化鈉溶液，調(diào)節(jié)寒劑溫度在-5～-3℃范圍之內(nèi)。

1.2.2 溶劑凝固點(diǎn)的測(cè)定

（1）近似凝固點(diǎn)的測(cè)定：用移液管移取25mL的蒸餾水，置于干凈且干燥的凝固點(diǎn)測(cè)定管中，蓋上帶有數(shù)字貝克曼溫度計(jì)和攪拌器的塞子，放進(jìn)裝有寒劑的保溫桶內(nèi)，不斷地?cái)嚢瑁?dāng)有晶體出現(xiàn)時(shí)，拿到凝固點(diǎn)空氣套管中緩慢地?cái)嚢?，溫度顯示基本不變時(shí)，記下此時(shí)的溫度，即為溶劑的近似凝固點(diǎn)。

（2）精確凝固點(diǎn)的測(cè)定：取出凝固點(diǎn)測(cè)定管捂之融化，置于寒劑中不斷攪拌，當(dāng)溫度高于近似凝固點(diǎn)0.5℃，趕緊擦干凈凝固點(diǎn)測(cè)定管外的水并放于空氣套管中，緩慢地?cái)嚢?，此時(shí)溫度不斷地下降，直到溶液溫度達(dá)到過冷后，溫度開始回升，達(dá)到最高后溫度會(huì)基本不變，此時(shí)的溫度即為溶劑的凝固點(diǎn)。重復(fù)測(cè)三次，取平均值作為溶劑的凝固點(diǎn)。溶劑凝固點(diǎn)曲線見圖1。

1.2.3 溶液凝固點(diǎn)的測(cè)定

取出凝固點(diǎn)測(cè)定管，同樣的方法將測(cè)定管中的晶體融化，用分析天平精確稱取0.5008g的尿素，放入測(cè)定管內(nèi)，使其全部溶于溶劑水中，來測(cè)溶液的凝固點(diǎn)。與溶劑的測(cè)定方法相同。先測(cè)近似凝固點(diǎn)，再測(cè)精確凝固點(diǎn)，重復(fù)測(cè)三次，取平均值作為溶液的凝固點(diǎn)。溶液凝固點(diǎn)曲線見圖2。

2 結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)測(cè)得具體的溶劑和溶液凝固點(diǎn)值見下表。尿素相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算依據(jù)是[3]：

式中：M是溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量（單位是g/mol）;Kf是質(zhì)量摩爾凝固點(diǎn)降低常數(shù);g和W分別是溶質(zhì)和溶劑的質(zhì)量（單位是g）。

水尿素體系的凝固點(diǎn)曲線（機(jī)械攪拌和手動(dòng)攪拌）見圖1和2。從圖中可以看出，與手動(dòng)攪拌繪圖相比，機(jī)械攪拌所繪曲線更加圓滑、流暢，且有良好的重現(xiàn)性。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看（見下表），機(jī)械攪拌得到尿素相對(duì)分子質(zhì)量的值更接近理論值，相對(duì)誤差小，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好，其中溶劑凝固點(diǎn)數(shù)據(jù)中各有一個(gè)出現(xiàn)偏差，原因一是攪拌速度，二是寒劑溫度。另外，除凝固點(diǎn)實(shí)驗(yàn)裝置本身產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差外，實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)溶劑、溶質(zhì)的純度都直接影響實(shí)驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）操作前應(yīng)保證所用儀器是干凈且干燥的。

（2）本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵就是要控制好攪拌速度，攪拌要均勻。

（3）凝固點(diǎn)的確定比較困難。先測(cè)定近似凝固點(diǎn)，精確測(cè)定時(shí)，接近近似凝固點(diǎn)時(shí)，降溫速度要減慢，溫度低于近似凝固點(diǎn)0.1～0.2℃時(shí)，要快速攪拌。

（4）控制好寒劑的溫度。寒劑溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響，過高會(huì)導(dǎo)致冷卻太慢，過低則測(cè)不出正確的凝固點(diǎn)，寒劑溫度應(yīng)不低于溶液凝固點(diǎn)3℃為佳。一般控制在低于凝固點(diǎn)2～3℃。

4 結(jié)論

用水尿素體系來測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量是對(duì)“凝固點(diǎn)降低法測(cè)相對(duì)分子質(zhì)量”實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步改進(jìn)，該體系對(duì)環(huán)境零污染，且改善了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)人身體健康的影響降到最低，是我們所提倡的綠色物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。從圖和數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差較小，實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性好，學(xué)生可以直觀地觀察到曲線上相變點(diǎn)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。該實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于本科生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，等.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005：233237.5版（上冊(cè)）.

[2]錢保華.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量[J].大學(xué)化學(xué)，2006，21（1）：4143.

[3]東北師范大學(xué)，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2014：6064（3版）.

[4]復(fù)旦大學(xué)，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2004：2427（3版）.

[5]裴淵超，張虎成，趙揚(yáng)，等.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14（4）：174176.

[6]馮雪琦，馬宏佳.運(yùn)用手持技術(shù)測(cè)定尿素的摩爾質(zhì)量[J].化學(xué)教與學(xué)，2011（6）：9697.

[7]榮華，佟拉嘎，徐中波.凝固點(diǎn)降低法測(cè)定物質(zhì)摩爾質(zhì)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].大學(xué)化學(xué)，2007，22（5）：4041.

基金項(xiàng)目：校級(jí)質(zhì)量工程——校級(jí)優(yōu)秀課程（01036023/011/043）

作者簡(jiǎn)介：劉文芳（1986—），女，漢族，山西嵐縣人，碩士，講師，研究方向：稀土功能材料。

*通訊作者：王連連。