水蒸氣蒸餾和重結(jié)晶實驗項目的改進(jìn)

陳 霞 周曉玉 劉海龍

（六盤水師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

基礎(chǔ)化學(xué)實驗是化學(xué)類本科專業(yè)實踐教學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)性課程，在本科人才培養(yǎng)過程中占據(jù)重要地位。當(dāng)前，基礎(chǔ)化學(xué)實驗普遍存在“重基礎(chǔ)、輕應(yīng)用”的問題，導(dǎo)致課程枯燥、乏味，弱化了對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)功能［1-3］?；A(chǔ)化學(xué)實驗所開設(shè)的實驗項目以傳統(tǒng)的基礎(chǔ)驗證性為主，實驗試劑儀器和操作流程存在刻板、陳舊、不規(guī)范等問題，且自身缺乏創(chuàng)新。此外，基礎(chǔ)化學(xué)實驗中結(jié)合生產(chǎn)生活實際和科技前沿的實驗項目極其匱乏，不能有力支撐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求?；诖耍槍Ξ?dāng)前基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程中存在的問題，可從基礎(chǔ)化學(xué)實驗項目開發(fā)、創(chuàng)新性實驗項目的應(yīng)用等方面逐步實施，使得基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)滿足人才培養(yǎng)的需要。同時，有效地促進(jìn)本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的發(fā)展。

隨著近代合成化學(xué)的發(fā)展，分離提純的技術(shù)和手段愈來愈顯示出它的重要性。對化學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生來說，熟練地掌握各種分離提純技術(shù)是十分必要的。“水蒸氣蒸餾”和“重結(jié)晶”實驗屬于基礎(chǔ)化學(xué)實驗項目。其中，“水蒸氣蒸餾”除廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物分離純化外，在有機(jī)物、無機(jī)物除水等方面亦有重要應(yīng)用［4-6］；重結(jié)晶是提純固體有機(jī)化合物最有效和最常用的方法之一，在實驗室研究和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著不可替代的地位。

“水蒸氣蒸餾”實驗項目，教材集中于水蒸氣蒸餾分離純化溴苯或甲苯等有機(jī)物，主要針對水蒸氣蒸餾基本原理進(jìn)行驗證［7-11］。近年來，關(guān)于“水蒸氣蒸餾”實驗改進(jìn)的研究，主要體現(xiàn)在實驗裝置的改進(jìn)［12-15］和天然物質(zhì)提?。?6-17］等方面，依然無法滿足本科實驗教學(xué)的需要，尤其是在地方性高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面沒有優(yōu)勢。因此，開發(fā)以“水蒸氣蒸餾”反向設(shè)計的含結(jié)晶水無機(jī)鹽共沸除水實驗項目，可以有效地豐富“水蒸氣蒸餾”實驗的內(nèi)容。

“重結(jié)晶”實驗項目通常是根據(jù)固體有機(jī)化合物在溶劑中溶解度隨溫度改變的原理來實現(xiàn)重結(jié)晶分離純化，即“熱溶冷析”法，如圖1所示［7-11］。

圖1 “熱溶冷析”重結(jié)晶法

但是該方法不適用于熱不穩(wěn)定的物質(zhì)、手性物質(zhì)等，同時加熱過程會造成能源的浪費，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，尋找適用范圍更廣、與工業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系緊密的方法是十分必要的。已有文獻(xiàn)對重結(jié)晶實驗進(jìn)行改進(jìn)的相關(guān)報道，但主要集中于實驗裝置、濾紙、過濾或熱過濾方式等方面［18-24］，與實際應(yīng)用聯(lián)系緊密的項目研究仍然有限。因此，緊密結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實踐，采用更貼合生產(chǎn)實際的“良溶不良析”的重結(jié)晶方法，即被分離物質(zhì)溶解于良溶性溶劑中、在不良溶性溶劑中析出，如圖2所示，并進(jìn)一步探索和改進(jìn)。提出適用于大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)的“重結(jié)晶”實驗項目是一項有意義的工作。

圖2 “良溶不良析”重結(jié)晶法

通過“水蒸氣蒸餾”和“重結(jié)晶”實驗項目的改進(jìn)，不僅可以有效地豐富實驗內(nèi)容，也能夠在很大程度上改善目前分離提純技術(shù)實驗項目中步驟不規(guī)范、方法陳舊和與生產(chǎn)實際相剝離等問題。

一、設(shè)計思路

將水蒸氣蒸餾和重結(jié)晶實驗從單純的“驗證性實驗”擴(kuò)展到實際應(yīng)用領(lǐng)域，突出實驗項目的實用性，有利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)；從“固定試劑種類和用量”演變?yōu)椤白灾髅魇健睂嶒烅椖浚诨A(chǔ)實踐教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新激情，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和科學(xué)素養(yǎng)；實驗結(jié)果形式從“實驗報告”走向“卡片填空式”，擺脫傳統(tǒng)的實驗報告，簡化實驗教學(xué)中程序化的內(nèi)容，采用硬質(zhì)彩色卡片，給予學(xué)生視覺的美感和舒適感，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。

二、實驗儀器和試劑

（一）水蒸氣蒸餾

儀器：圓底燒瓶、集熱式磁力攪拌器、分水器、直形冷凝管、蒸餾頭、溫度計、溫度計套管、接引管、燒杯、量筒、電子分析天平。

試劑：六水合硫酸鎳、六水合氯化鎂、五水合硫酸銅、甲苯、乙醇、正丙醇、正丁醇以及其他常見溶劑。

（二）重結(jié)晶

儀器：圓底燒瓶（250 mL、100 mL）、磁力攪拌器、恒壓滴液漏斗、布氏漏斗、集熱式磁力攪拌器、燒杯、表面皿、量筒、溫度計、臺秤、熔點儀。

試劑：苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚、吲哚、乙醇、水、乙酸乙酯、石油醚以及其他常見溶劑。

三、實驗研究

（一）水蒸氣蒸餾實驗

1.水蒸氣蒸餾的反向設(shè)計

在傳統(tǒng)“水蒸氣蒸餾”實驗項目中，利用共沸的原理實現(xiàn)有機(jī)物的分離純化，一般以沸點較高、相對穩(wěn)定的有機(jī)物作為分離對象，讓學(xué)生在實驗中簡單了解水蒸氣蒸餾的原理。在此實驗項目改進(jìn)中，通過水蒸氣蒸餾的反向設(shè)計，即利用有機(jī)物與水能夠形成共沸物的性質(zhì)，開展含結(jié)晶水無機(jī)鹽的除水研究。

實驗研究中，分別以六水合硫酸鎳、六水合氯化鎂、五水合硫酸銅為待除水物質(zhì)，以甲苯、正丙醇或叔丁醇為共沸溶劑，通過共沸溶劑體積優(yōu)化，獲得最優(yōu)共沸除水效果的溶劑用量；在獲得以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計“水蒸氣蒸餾”實驗項目。

2.實驗步驟

“水蒸氣蒸餾”實驗流程如圖3所示。

圖3 水蒸氣蒸餾實驗流程

第一步：稱取5.00 g待處理物質(zhì)置于圓底燒瓶中，加入共沸溶劑（x mL），搭建蒸餾裝置，通入冷凝水并開始加熱，控制蒸餾餾速1-2滴/s。

第二步：待蒸餾至剩余懸浮液約10 mL時停止加熱，冷卻并拆除蒸餾裝置，抽濾除去剩余溶劑。

第三步：真空干燥、稱重，并計算水蒸氣蒸餾除水效率。

3.實驗數(shù)據(jù)說明

綜合考慮原材料價廉易得、實驗項目可操作性強、安全性高等因素，分別選擇六水合硫酸鎳、六水合氯化鎂、五水合硫酸銅為待處理物質(zhì)，以甲苯、乙醇、正丙醇和正丁醇為共沸溶劑，進(jìn)行實驗項目研究，結(jié)果如表1、表2、表3所示。

表1 六水合硫酸鎳（5.00 g）的水蒸氣蒸餾處理（理論含水量：2.05 g）

表2 六水合氯化鎂（5.00 g）的水蒸氣蒸餾處理（理論含水量：2.66 g）

表3 五水合硫酸銅（5.00 g）的水蒸氣蒸餾處理（理論含水量：1.80 g）

實驗課程中，學(xué)生可自行選擇多種含結(jié)晶水無機(jī)鹽作為待處理物質(zhì)，并根據(jù)所選物質(zhì)再嘗試不同的共沸溶劑及其體積，蒸餾、抽濾、真空干燥并稱重分析后，得出不同溶劑及不同體積對含結(jié)晶水無機(jī)鹽除水效果的影響規(guī)律。通過實驗項目的改進(jìn)，提高實驗項目的實用性，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、解決問題的能力及創(chuàng)新意識。

4.實驗注意事項

第一，通過控制加熱浴的溫度，使得蒸餾餾速控制在1-2滴/s。

第二，蒸餾裝置的安裝順序一般是從熱源開始，先在架設(shè)儀器的鐵臺上放好電熱套或燃?xì)鉄簦俑鶕?jù)電熱套或燃?xì)鉄舻母叩鸵来伟惭b鐵圈（或三腳架）、石棉網(wǎng)（或水浴、油?。缓蟀惭b蒸餾瓶。

第三，蒸餾完畢，應(yīng)先關(guān)閉加熱器電源或熄滅燃?xì)鉄簦缓笸Ｖ雇ㄋ?，再拆下儀器。

（二）重結(jié)晶實驗

1.實驗原理

苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚是重要的有機(jī)合成中間體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、染料載體、香料和農(nóng)藥等的生產(chǎn)。

良性溶劑是指對某一物質(zhì)溶解性好的溶劑，反之為這一物質(zhì)的不良性溶劑；良性溶劑和不良性溶劑的區(qū)分是因物質(zhì)的不同而不同，是相對的［12］。在室溫下，乙醇和乙酸乙酯于苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚而言是良性溶劑，水和石油醚屬于不良性溶劑。本實驗采用“良性溶劑溶解、不良溶劑析出”，即“良溶不良析”的方法來重結(jié)晶分離提純苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚。

2.實驗步驟

重結(jié)晶實驗流程如圖4所示。

圖4 重結(jié)晶實驗流程

第一步：稱取5.0 g待提純物質(zhì)3份（A、B和C三組）分別置于250 mL圓底燒瓶中，25℃時，在磁力攪拌下緩慢滴加良性溶劑（乙醇或乙酸乙酯）至可溶性固體溶解。

第二步：待可溶性固體全部溶解后，記錄所用良性溶劑（乙醇或乙酸乙酯）用量（x mL）和溫度（T℃）；過濾，除去不溶性雜質(zhì)。

第三步：在不斷攪拌下，向以上溶液中緩慢滴加不良性溶劑（水或石油醚）至有固體析出。

第四步：繼續(xù)分別向以上體系中滴加水或石油醚，A、B、C中加入不良性溶劑（水或石油醚）的體積分別至x mL、2x mL、3x mL，并繼續(xù)攪拌10 min。

第五步：分別進(jìn)行抽濾、用不良性溶劑（水或石油醚）洗滌（5 mL×3次）。

第六步：水蒸氣干燥、稱重，并計算回收率。

第七步：測定產(chǎn)品的熔點。

3.實驗數(shù)據(jù)說明

綜合考慮原材料價廉易得、實驗項目可操作性強、安全性高等因素，分別選擇苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚作為待提純物質(zhì)，以乙醇-水和乙酸乙酯-石油醚為重結(jié)晶溶劑體系，開展實驗項目研究，具體實驗數(shù)據(jù)如表4、表5、表6、表7所示。

表4 苯甲酸（5.0 g）的重結(jié)晶（T=25℃）

表5 乙酰苯胺（5.0 g）的重結(jié)晶（T=25℃）

表6 2-萘酚（5.0 g）的重結(jié)晶（T=25℃）

表7 吲哚（5.0 g）的重結(jié)晶（T=25℃）

實驗教學(xué)中，學(xué)生可自行選擇苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚等粗產(chǎn)品作為待提純物質(zhì)，嘗試與不同種類的溶劑進(jìn)行搭配，從而實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品的純化。采用此種“良溶不良析”的重結(jié)晶方法，在針對未知溶解度的化合物進(jìn)行純化時，首先需要測定其在不同種類溶劑中的溶解度；隨后，根據(jù)不同溶劑中的溶解度差異，選擇合適的溶劑；最后，根據(jù)已經(jīng)掌握的溶解度情況再開展重結(jié)晶實驗探索。通過重結(jié)晶實驗項目的改進(jìn)，學(xué)生可深入掌握重結(jié)晶的基本原理、規(guī)范化操作，使得基礎(chǔ)化學(xué)實驗與實際使用情景更加接近，提高學(xué)生分析、解決實際應(yīng)用問題的能力及創(chuàng)新意識。

4.實驗注意事項

第一，苯、氯仿、二氧六環(huán)、吡啶等已經(jīng)被證實或懷疑具有致癌或誘發(fā)性毒性，故盡可能避免使用［10］。

第二，水蒸氣干燥過程中需經(jīng)常翻動晶體。

第三，產(chǎn)品徹底干燥后，才能測定熔點。

四、“卡片填空式”實驗項目設(shè)置

（一）水蒸氣蒸餾

通過如圖5和圖6所示的“卡片填空式”實驗項目設(shè)置，學(xué)生實驗過程中可根據(jù)課前查閱資料掌握的知識來選擇實驗試劑種類和用量，實驗項目不再是千篇一律的重復(fù)性、趨同性實驗操作［25］。

圖5 卡片正面

圖6 卡片背面

為了完成卡片，學(xué)生需要探究溶劑的種類和用量對除水率的影響，從而有效地督促學(xué)生主動思考，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和科學(xué)素養(yǎng)。

各式各樣的硬質(zhì)彩色卡片，如圖7所示。

圖7 部分卡片樣式

多種顏色的卡片可以給予學(xué)生視覺的美感和舒適感，同時，整個實驗流程清晰明了。簡化實驗教學(xué)中程序化的預(yù)習(xí)報告和實驗報告，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的興趣，在卡片中送給每個學(xué)生不同的勵志美句，既傳授了專業(yè)知識與技能，又潛移默化地開展了課程思政，實現(xiàn)“立德樹人”的根本任務(wù)。

（二）重結(jié)晶

設(shè)置“重結(jié)晶”實驗的填空式彩色卡片，具體如圖8所示。

圖8 “卡片填空”式重結(jié)晶實驗

整個實驗流程清晰明了，擺脫了費時又低效的預(yù)習(xí)報告和實驗報告。為了完成此卡片，學(xué)生需主動查閱資料、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。此外，實驗操作具有更多的不確定性，從而有效地督促學(xué)生主動思考和創(chuàng)新。值得一提的是，實驗教學(xué)中學(xué)生可以自主選擇粗物質(zhì)和所用的溶劑，并進(jìn)一步摸索其用量對回收率的影響，增強教學(xué)靈活性的同時提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)語

改進(jìn)的“水蒸氣蒸餾”和“重結(jié)晶”實驗項目主要突出綜合性、探索性和研究設(shè)計性、應(yīng)用性、與時俱進(jìn)性等四方面：第一，綜合性，即將教科書中的基礎(chǔ)性、驗證性和演示性實驗項目融入解決實踐問題過程中。學(xué)生通過問題分析-實驗設(shè)計-問題解決的方式，完成實驗內(nèi)容，從中獲取知識和經(jīng)驗，鍛煉其分析問題、解決問題的綜合能力，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識；第二，探索性和研究設(shè)計性，即在保證實驗項目安全、可操作的前提下，應(yīng)用實驗過程和結(jié)果不可預(yù)見或不可完全預(yù)見的實驗項目，改變照搬教科書中試劑、儀器、操作流程的實驗教學(xué)方式，鼓勵學(xué)生在實驗課程中自主探索，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能；第三，應(yīng)用性，即實驗項目具備跟生產(chǎn)、生活實踐相結(jié)合的特征，與理論知識的定義、概念等刻板形象形成補充和對比，體現(xiàn)實踐性課程的應(yīng)用性；第四，與時俱進(jìn)性，即改革演示性、基礎(chǔ)驗證性實驗項目，將其融入生產(chǎn)生活實踐、科技前沿等領(lǐng)域，使得陳舊但實用的實驗操作煥發(fā)新的生機(jī)和活力，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維養(yǎng)成。

教學(xué)團(tuán)隊將所改進(jìn)的“水蒸氣蒸餾”和“重結(jié)晶”實驗項目應(yīng)用于化學(xué)相關(guān)各專業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程教學(xué)，學(xué)生能夠更深刻地理解“水蒸氣蒸餾”和“重結(jié)晶”的原理和應(yīng)用，從“簡單驗證性”擴(kuò)展到“實際應(yīng)用”，突出實驗項目的實用性，改善傳統(tǒng)實驗項目重操作輕應(yīng)用的弊端；把實驗操作從“固定試劑種類和用量”演變?yōu)椤白灾髅魇健保诨A(chǔ)實踐教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力；實驗結(jié)果形式從“實驗報告”走向“卡片填空式”，擺脫傳統(tǒng)的實驗報告，簡化實驗教學(xué)中程序化的內(nèi)容，從而提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。同時，改進(jìn)后的實驗項目增加了課程教學(xué)的新穎性，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高了實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。此外，彩色卡片送給學(xué)生勵志美句，進(jìn)行一次愛的傳遞，貫徹“教學(xué)育人”的理念，為其他化學(xué)相關(guān)實驗課程的改革提供了一條可行的思路。