陳鈺，趙娣，張冰洋，劉聰，王鑫(廊坊師范學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

物理化學(xué)改革是建設(shè)物理化學(xué)一流課程的重要組成部分[1-3]，綠色低成本理念對(duì)實(shí)驗(yàn)改革具有重大意義[4-6]，也是物理化學(xué)改革的重要組成部分。如凝固點(diǎn)降低法來(lái)測(cè)定物質(zhì)的分子量需要用到環(huán)己烷和萘，但是環(huán)己烷是一種有機(jī)化合物、有刺激性氣味的極易燃燒的液體，持續(xù)吸入對(duì)人體有很大危害；萘是一種有毒的物質(zhì)，氣味揮發(fā)到空氣中對(duì)環(huán)境也有很大破壞。同時(shí)，環(huán)己烷和萘價(jià)格也比較高。所以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色低成本改進(jìn)很有必要。

自來(lái)水是一種綠色溶劑，不但無(wú)毒無(wú)味環(huán)保綠色而且和其他溶劑相比廉價(jià)易得。葡萄糖無(wú)毒無(wú)害且廉價(jià)易得。用自來(lái)水替換環(huán)己烷，用葡萄糖替換萘，可以對(duì)凝固點(diǎn)降低法測(cè)定物質(zhì)分子量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綠色低成本改進(jìn)，符合綠色化學(xué)要求和低成本的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

凝固點(diǎn)降低法測(cè)定物質(zhì)的摩爾質(zhì)量是一個(gè)簡(jiǎn)單而比較準(zhǔn)確的測(cè)定方法，當(dāng)溶液凝固析出純固體溶劑時(shí)，溶液的凝固點(diǎn)低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)，其降低值與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比。即ΔTf=Tf*-Tf=KfmB，其中Tf*表示純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)，Tf表示溶液的凝固點(diǎn)，mB表示溶液中溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，Kf表示溶劑的質(zhì)量摩爾凝固點(diǎn)降低常數(shù)。若稱(chēng)取一定量的溶質(zhì)WB(g)和溶劑WA(g)，配成稀溶液，則可以通過(guò)公式MB=KfWB/ΔTfWA得出溶質(zhì)的分子量。

1.2 試劑或材料

D-(+)-葡萄糖(C6H12O6) 來(lái)自北京伊諾凱科技有限公司，自來(lái)水(分子式H2O) 來(lái)自實(shí)驗(yàn)室。

1.3 儀器和表征方法

測(cè)試儀器為FPD-4A 型凝固點(diǎn)降低(半導(dǎo)體制冷) 實(shí)驗(yàn)裝置(南京南大萬(wàn)和科技有限公司)。測(cè)試條件為常溫常壓。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟/方法

將實(shí)驗(yàn)需要的軟件安裝在電腦上，把電腦與凝固點(diǎn)降低裝置連接好。打開(kāi)裝置電源，調(diào)節(jié)功率在5 V 左右，設(shè)置合適的攪拌速度(實(shí)驗(yàn)期間不能調(diào)節(jié)功率和攪拌速度)。用分析天平稱(chēng)取15 g 左右的自來(lái)水加入凝固點(diǎn)管中，將其放入凝固點(diǎn)降低裝置里，蓋好蓋子，插好傳感器和攪拌棒，此時(shí)打開(kāi)電腦上的千分溫度計(jì)軟件，開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)行水的凝固點(diǎn)的測(cè)定。待圖中出現(xiàn)第一個(gè)平臺(tái)(即水的凝固點(diǎn))，取出凝固點(diǎn)管將其捂熱至融化后，稱(chēng)取0.05 g 左右的葡萄糖加入水中，進(jìn)行測(cè)定葡萄糖溶液的凝固點(diǎn)，待圖中出現(xiàn)第二個(gè)平臺(tái)(即葡萄糖溶液的凝固點(diǎn)) 時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、關(guān)閉儀器、切斷電源、收拾好實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以下計(jì)算公式：

再結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出曲線圖，如圖1 所示。

圖1 水和葡萄糖水溶液的凝固點(diǎn)曲線圖

將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得：

代入數(shù)據(jù)得實(shí)驗(yàn)值：M葡=181.01 g·mol-1；

已知理論值：M葡=180.16 g·mol-1；

則可計(jì)算得出：絕對(duì)誤差為0.847 g·mol-1，相對(duì)誤差為0.47%。

2.2 對(duì)曲線圖的分析

將實(shí)驗(yàn)樣品改進(jìn)為葡萄糖和自來(lái)水后，圖中出現(xiàn)的兩個(gè)平臺(tái)與之前的曲線圖相比更加清晰直觀、簡(jiǎn)單明了，圖中可讀出自來(lái)水的凝固點(diǎn)為273.639 K，與水的理論凝固點(diǎn)相差不太大，葡萄糖水溶液的凝固點(diǎn)在曲線圖中可以讀出為273.572 K，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)明顯可以使結(jié)果更加準(zhǔn)確可信且結(jié)果易得，初步驗(yàn)證了此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)比原實(shí)驗(yàn)更加簡(jiǎn)便。相比之下，較簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生們對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生更加濃厚的興趣，并且不再恐懼對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過(guò)多方面考慮可知此改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有可行性。

2.3 對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析

從誤差值看出改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)所得葡萄糖分子量與查表得到的葡萄糖理論分子量是有一定差距的，經(jīng)過(guò)對(duì)誤差的分析可得出誤差的原因與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)的溫度濕度、葡萄糖吸濕性、自來(lái)水雜質(zhì)等有關(guān)，但此誤差值在該實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，而且可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)確地操作來(lái)盡量減小。從計(jì)算量角度分析，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)計(jì)算量較小，可以讓學(xué)生們將此次實(shí)驗(yàn)的重心放在操作上，更好鍛煉了學(xué)生們的動(dòng)手能力。另外，可以引導(dǎo)學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行討論分析，鍛煉學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)分析思維。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生們各種能力的發(fā)展，所以可以進(jìn)一步確定此實(shí)驗(yàn)用葡萄糖和水來(lái)代替環(huán)己烷和萘是可行的。

2.4 對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差的分析

為減小葡萄糖吸濕性的誤差，可以將未稱(chēng)量的葡萄糖分為幾個(gè)塑封袋密封保存，用后將剩余葡萄糖及時(shí)封袋以備下次實(shí)驗(yàn)使用，稱(chēng)量好的葡萄糖及時(shí)放入凝固點(diǎn)測(cè)試儀中；其次由于儀器本身的規(guī)格不同也會(huì)產(chǎn)生誤差；以上所述的誤差可以通過(guò)規(guī)范操作來(lái)減小。為了達(dá)到更加綠色環(huán)保的理念，改進(jìn)后采用自來(lái)水作為溶劑。相比環(huán)己烷，雖然自來(lái)水中有各種雜質(zhì)會(huì)影響其凝固點(diǎn)的準(zhǔn)確性，但從數(shù)據(jù)以及曲線圖可以得出這幾種誤差都不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有太大影響，所以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以順利進(jìn)行。

2.5 對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)整體的可行性進(jìn)行分析

此改進(jìn)基于綠色廉價(jià)等理念，以實(shí)驗(yàn)的可操作性為原則探究出合適的樣品(葡萄糖和自來(lái)水) 代替環(huán)己烷和萘，改進(jìn)后的樣品無(wú)環(huán)己烷和萘的刺激性氣味。環(huán)己烷和萘的刺激性氣味長(zhǎng)時(shí)間吸入會(huì)對(duì)人體有非常大的危害，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)避免了環(huán)己烷和萘的這種致癌性危害，避免長(zhǎng)時(shí)間吸入而帶來(lái)的身體不適，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)興趣和精力。所以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后不僅保護(hù)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更重要的是保護(hù)師生的健康，使學(xué)生們更好的生活和學(xué)習(xí)進(jìn)而更加喜歡實(shí)驗(yàn)。雖然自來(lái)水中雜質(zhì)較多，但是經(jīng)過(guò)大量嘗試以及對(duì)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中的雜質(zhì)對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較小，產(chǎn)生的誤差在可接受的范圍內(nèi)。此改進(jìn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是成本較低，與改進(jìn)前的樣品環(huán)己烷和萘相比，自來(lái)水可以直接在實(shí)驗(yàn)室獲得，葡萄糖在購(gòu)買(mǎi)時(shí)同樣比較便宜而且購(gòu)買(mǎi)時(shí)比較容易，不像某些毒性藥品在購(gòu)買(mǎi)時(shí)需要經(jīng)過(guò)各種審批才可以到達(dá)實(shí)驗(yàn)室供使用。所以在對(duì)此實(shí)驗(yàn)的綠色低成本改進(jìn)是成功的，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)多次嘗試，對(duì)多次結(jié)果進(jìn)行定性分析，對(duì)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)誤差值都在此實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，而且操作比改進(jìn)前更加便捷。此次改進(jìn)的另一大特色是用自來(lái)水作為溶劑、葡萄糖作為溶質(zhì)后，使得實(shí)驗(yàn)樣品廉價(jià)易得、實(shí)驗(yàn)更加符合綠色化學(xué)發(fā)展理念，有利于確保實(shí)驗(yàn)室環(huán)境衛(wèi)生，很好的響應(yīng)了國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)以及綠色化學(xué)的號(hào)召。