双液系气—液平衡相图实验项目改进措施探讨

王金玉 卿大咏 刘莹 吴洋 朱元强

摘要：结合本校在双液系气—液平衡相图实验的改革情况，本文讨论了该实验在体系选择、实验装置改进、数据处理改进、废液回收利用等方面取得的进展，提高了实验效率，具有绿色环保、安全经济等特点。

关键词：物理化学；气—液平衡；相图；双液系

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）11-0269-02

物理化学实验是化学实验的组成部分，是化学工程与工艺、应用化学、环境工程、安全工程、化学等专业的一门重要独立的公共基础实验课程。它综合利用了物理和化学的原理和技术，进而研究和探索分析化学问题。其课程本身具有思维逻辑性强、紧密联系工程实际、实践环节丰富等特点，对培养学生的创新思维能力、工程实践能力、独立科研能力有重要作用[1]。

双液系气—液平衡相图的实验是普通高校物理化学实验课必修实验项目中的经典实验。在实验过程中，所需记录的数据量较大，消耗时间长，仪器操作和数据处理较为复杂。多年来，通过项目制教学，笔者主要指导该项目，大部分学生基本能掌握实验内容、阿贝折光仪的使用方法、气液相组成的测定、数据处理以及如何解答相应的思考题等。但是，该实验仍有不足和需要改进的地方，下面就从以下几个方面做出讨论。

一、实验体系的选择

早期教材采用的是苯-乙醇体系。苯的毒性较大，对于环境和健康都有影响。后来，部分高校采用乙酸乙酯-乙醇体系[2]。目前，我校采用环己烷-乙醇体系，该体系是具有正偏差的、有最低恒沸点的非理想完全互溶双液系，因环己烷-乙醇的折光率相差较大，它们组成的溶液折光率随着溶液的成分改变而显著变化，用阿贝折光仪测定待测样品的组成较为准确。在实验操作过程中，苯-乙醇体系易挥发出较大的苯味，不仅影响师生健康，同时废液难以回收，污染环境，耗材费用高。该体系沸点温度低，容易测量，较为经济环保。

二、实验装置的改进

物理化学实验仪器不同于其他化学类实验的设备。大多数物理化学实验依赖于精密仪器来完成，往往这些仪器在价格上比较昂贵[3]。大部分地方院校的实验配套设备在6—8套，随着学生人数的逐年增多，物理化学实验教学方法在许多高校是采用大循环分组实验制度[4]。这就要求物理化学实验配备较多的仪器，否则会严重影响实验教学的充分开展。同时，由于设备的更新，实验技术的改进，或高校本身的实际情况，实际所用实验仪器或实验方法与参考教材中所述的会稍有不同，故而造成学生预习和具体实验的不统一，不方便教学，失去教材的指导作用[5]。实验仪器与实验教材不配套，也成为较为严峻的问题。在此背景下，为了进一步满足实验教学需求，我校在现有基础上，通过设计加工改造现有设备，升级设备相关功能，增加设备数量，充分发挥实验室仪器的使用和利用价值，以便学生有更多的操作机会。

（一）加热方式的改进

酒精灯是实验室中较为常用的加热仪器，加热方式较为经济，但是酒精挥发性较强、易燃，在使用过程中必须注意安全。酒精不小心洒出且易在灯外燃烧，烧掉冷凝水橡皮管，实验过程中存有一定的安全隐患。

原有的沸点仪是该实验的常用装置，主要以电阻丝加热为主，这种沸点仪的缺陷是加热电阻丝允许的电压不能超过40V[6]，否则在实验的时候，压力容易调大以致烧断电阻丝。电阻丝周边的液体受热不均，容易产生气泡，不利于观察沸腾现象。电阻丝通电后与易燃待测液直接接触，存在极大的安全隐患。

为解决上述问题，我们对实验装置进行一定的改进，设计出一套双液系气—液平衡相图实验的综合测定仪，将蒸馏烧瓶内的电阻丝改用电加热套在烧瓶外，并用铁架台固定，同时具备加热控制，有安全供电的加热电源，实现加热电源可控可调、稳定加热、超温断电保护等功能。那么，在实际加热过程中，将综合测定仪的加热功率控制在50W左右，待测液受热均匀，可产生较为平稳的沸腾，加热安全性高。同时，改进后的测定仪实验效果好，操作简单，安全可靠。

（二）测温方式的改进

原有的实验操作中，带橡胶塞的水银温度计直接插进蒸馏烧瓶里，水银温度计的水银球接触待测溶液，当每个样品加热完毕，直接读取水银温度计上面的刻度。但是水银温度计不仅在读取过程中不太准确，而且在实验过程中危险程度非常大，远远超出人们的想象。学生若在实验过程中不小心打碎了温度计，那么汞就会洒落出来，挥发到空气中对人体造成伤害，引起重金属中毒。联合国2013年签署《水俣公约》，要求各缔约国自2020年起，全面停止含汞产品的生产和进出口，我国水银温度计将于2020年停产。

对于该装置，我们采用具备PID控制功能的精密智能温度显示仪表作为温度测量的显示仪表，用Pt100铂电阻传感器进行温度测量代替原有的水银温度计。这样就避免了水银温度计读数不便、测温不准确、危险性大等一系列问题，实现了液系温度实时快速测量并显示，有利于准确读取液系沸点温度。

三、数据处理的改进

该实验的数据处理需要绘制折射率—组成工作曲线和沸点—组成的气液平衡相图。原有的坐标纸绘图方式已经逐步淘汰，因人为误差较大，同时作图的准确性低，最低恒沸点误差较大。随着计算机的不断普及和画图软件的开发应用，传统的数据处理方法已不能适应时代的要求，利用计算机软件来处理实验数据已是大势所趋[7-9]，比如Origin软件、EXCEL软件、MATLAB编程和AUTOCAD等绘制双液系相圖。这样在实验完成之后的数据处理过程中，避免因人为因素所带来的误差，有助于提高实验结果的准确性，从而提高实验效率。

其中，Origin软件是快速、灵活、易学的制图及分析软件，用来处理实验结果和绘图功能非常强大，包括很多物理化学实验的数据。对于同一个图形，可选用不同的方法绘制。在该实验中，得到的相图准确性高，能够将非线性曲线拟合求出相应多项式中的待定参数。双液系气液平衡相图的实验中，最低恒沸点的确定，并不是单纯地找出“最低点”，让学生用理论课上学到的知识来确定恒沸点及相应恒沸物的组成[1]，运用软件制图更容易获得。

因此，在实验数据结果处理上，学生能够运用自己所擅长的软件处理各自的实验数据并绘图，较为方便快捷，所处理的实验数据误差小、得到的实验报告更科学、合理，有利于提高自身的综合处理能力，为今后从事科研工作打好基础。

四、废液的回收再利用

环己烷-乙醇体系是具有正偏差的恒沸体系，用萃取分离的方法可以将环己烷-乙醇废液分离。乙醇的萃取率可达98%以上，萃取后环己烷经精制、乙醇经蒸馏脱水后可以用作双液系气液平衡相图实验。

双液系气—液平衡相图实验在我校开设专业范围较广，学生人数多、批次多，不可避免地将产生大量的环己烷、乙醇废液。如果能够将废液进行分离、回收、再利用，那么不仅可以减少对环境的污染，同时也能节省一笔较为可观的实验经费。

五、结论

通过对双液系气—液平衡相图实验改进的分析，较为详细地讨论了该项目从实验体系选择、实验装置改进、数据处理改进、废液回收利用等各个方面的情况。希望通过我们在该实验中的一些改进措施，能够为其他同行在教材撰写、装置改造、实验方法改良等一系列工作中提供一定的帮助。

参考文献：

[1]任素贞，贺民，纪敏，郝策.深化物理化学实验教学，培养学生科研能力——关于双液系气液平衡最低恒沸点的确定[J].化工高等教育，2015，144（4）：67-69.

[2]黄桂萍，肖红，尹波，胡跃华.双液体系气—液平衡相图测定方法的探讨[J].赣南师范学院学报，2006，1（6）：82-84.

[3]徐旭耀，周晓平，潘荣楷.地方高校物理化学实验存在的问题与创新实践[J].广东化工，2013，40（5）：128-130.

[4]李浩，张喜斌，金真.地方院校物理化学实验教学改革探讨[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：114-115.

[5]张秋霞，王香.改革物理化学实验教学提高实验教学质量[J].实验室科学，2007，10（5）：45-46.

[6]清华大学化学系物理化学编写组.物理化学实验[M].北京：清华大学出版社，1991：53-56.

[7]闫宗兰，石军，尹立辉，赵鹏英.Origin软件在“双液系气—液平衡相图”實验数据处理中的应用[J].天津农学院学报，2007，14（2）：30-32.

[8]刘岿，石燕.Origin在处理“双液系气液平衡相图”实验数据中的应用[J].赤峰学院学报，2010，（26）：15-16.