融入绿色环保理念的物理化学实验综合设计

张 红, 任淑霞, 马志广, 闰明涛, 白国义

(河北大学 化学与环境科学学院, 化学国家级实验教学示范中心, 河北 保定 071002)

绿色发展、低碳发展、循环发展是当今时代的主题。在高校本科化学实验的教学中,实验所需试剂种类较多,消耗量较大,实验室相当于一个小型的环境污染源[1],开设绿色化的实验项目以减少环境污染成为本科化学实验教学发展的必然趋势。

为了提高物理化学实验中综合性和设计性实验项目在课程中所占的比例，本文在绿色环保理念的基础上,对原先的实验内容进行了相应修改和调整,并增加了新的实验内容,设计了一个综合性实验,使物理化学实验内容与现代科学技术和日常生活实际相结合, 将趣味性、应用性、综合性融为一体,有助于提高学生自主学习兴趣和创新意识,增强动手能力。

1 实验项目的设计背景及意义

燃烧热数据在判断反应过程的方向性、解决相平衡问题中是不可或缺的[2-4],因而燃烧热的测定一直是化学热力学中的经典实验项目。实验方法是先用标准物苯甲酸测出体系的等容热容,然后根据待测物萘燃烧使体系温度的升高值计算燃烧热[5]。但实验中采用的待测样品萘[6],易挥发、易升华并且具有特殊气味,是一种对人体健康有害的物质,也很容易扩散到大气中污染环境,不符合绿色化学的原则。因此,需要选取一种对环境和人体无害的物质来代替萘,这种物质最好符合以下3个条件:(1)该物质是固态粉末，很容易压制成片或者可以切成随意形状直接称量相应的质量；(2)在合适的条件下能迅速完全燃烧；(3)最终产物为二氧化碳和水。

溶液表面张力的测定是物理化学实验开设的另一个重要项目,实验内容是用最大气泡法测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力,实验结束后把大量废液收集起来放置,有一定的安全隐患,且废液的处理既浪费财力又浪费资源。最好的办法是实现乙醇废液的循环利用,但乙醇液态使用时易挥发且具有刺激性,储存也非常不方便、不安全,容易引起火灾或烧伤事故[7]。

为了践行绿色、低碳、循环发展的理念,综合考虑上述两个实验项目,精心设计了基于绿色环保理念的综合型实验——固体酒精的制备及其燃烧热的测定。该实验首先将溶液表面张力的测定实验产生的乙醇废液按浓度进行收集,然后用来制备固体酒精,制成的固体酒精当作待测样品用于燃烧热的测定实验。整个实验过程对环境友好,不再使用有毒有害物质,不再产生废物,最大程度地节约能源,体现了绿色化学的理念,符合绿色化学实验的5个R原则[8-9]。

2 实验原理

固体酒精的制备方法很多[10-12],这些方法的差别主要在于所用凝固剂不同,比如醋酸钙、硝化纤维、高级脂肪酸、自行制备的高分子聚合物等 。本文选用硬脂酸与氢氧化钠反应生成的硬脂酸钠做凝固剂,反应方程式为

C17H35COOH+NaOH=C17H35COO Na+H2O

(1)

反应生成的硬脂酸钠是一个长碳链的极性分子, 在室温下不溶于乙醇溶液,而在较高的温度下可以均匀地分散在溶液体系中,冷却后形成凝胶体系,使酒精分子被束缚于相互连接的大分子之间,形成固体状态的酒精。固体酒精是一种便携、安全无毒、储存方便、热值高的新型燃料。

燃烧热是化学中的一个重要数据,是热化学中的重要实验手段。测定燃烧热实验原理很简单,主要基于能量守恒定律,用氧弹式量热计测定[13-15]。一定量的物质在氧弹中完全燃烧时放出的等容热为

QV=CV△T

(2)

式中CV为体系等容热容,△T为体系的温度升高值,QV为等容燃烧热。

首先称取一定量标准物质——苯甲酸(已知苯甲酸和点火丝燃烧时的等容热分别为26 434.3 J/g和6 688 J/g),在充有过量氧气的氧弹内完全燃烧,测定出温度升高值△T,忽略引火棉线燃烧放出的热量,根据(1)式标定出体系的等容热容CV。然后根据待测物质在相近的条件下燃烧，使体系温度的升高值来计算固体酒精的等容燃烧热。

C2H5OH(l)+3O2(g)→2CO2(g)+3H2O

(3)

在不做非膨胀功的封闭系统中,依据热力学第一定律,可得到乙醇的摩尔燃烧焓计算公式为

(4)

式中，R为气体常数，T为温度，νB为计量系数。

将实验计算值与理论值进行比较。

3 实验仪器与试剂

实验仪器:ZDHW-A9型高精度万能全自动量热仪,AR124CN型电子分析天平,81-2型磁力加热搅拌器,压片机,氧气钢瓶。

实验试剂:苯甲酸为分析纯,氢氧化钠、硬脂酸均为工业级,乙醇废液(溶液表面张力的测定实验产生)。

4 实验内容

4.1 固体酒精的制备

将溶液表面张力的测定实验结束后产生体积分数为30%、50%、70%、80%、90%的不同浓度的乙醇水溶液准备好(每种浓度的乙醇溶液共25 mL),将其分为等量的 2 份,一份与0.25 g的氢氧化钠混合,加热溶解备用;另一份与1.63 g硬脂酸混合,在三颈瓶中加热至硬脂酸完全溶解；在搅拌情况下,将溶有氢氧化钠的乙醇溶液滴加到硬脂酸溶液中,控制反应温度在60～70 ℃之间,约10 min后将澄清透明的反应液倒入烧杯,冷却后即得固体酒精。

4.2 固体酒精点火

从制备好的不同乙醇含量的固体酒精样品中切下一定量放入铁罐中,分别用打火机点燃,观察固体酒精的燃烧情况。

4.3 固体酒精燃烧热的测定

首先用标准物质苯甲酸标定体系的等容热容CV。粗称0.5 g苯甲酸将其压片,然后用分析天平准确称量苯甲酸压片和点火丝的质量；打开氧弹,将2个电极擦洗干净,并将点火丝两端紧密固定在2个电极上,在点火丝上系上一段棉线,把制成的样品压片放在棉线上面,拧紧氧弹盖；打开氧气钢瓶,给氧弹充入氧气2 MPa；将氧弹放入全自动量热仪中,并打开计算机中燃烧热测试软件进行参数设定,并进行热容的测定；取出氧弹,先用放气阀放气,放完气后即可打开氧弹。

然后测定固体酒精的燃烧热。称取约1 g待测物固体酒精,重复上述实验步骤,进行发热量测试。测量完毕软件自动给出每克待测物的等容热QV。

5 结果与讨论

(1) 用硬脂酸钠做凝固剂,通过两步法制备固体酒精,具有操作简单、原料易得、成本低、制备时间短等优点,非常适合学生实验。

(2) 将不同乙醇含量的固体酒精用火柴点燃进行点火燃烧时,发现乙醇含量为30%的固体酒精几乎不燃烧,可能是含水量太多导致；乙醇含量为50%的固体酒精有微弱火焰,瞬间流淌；乙醇含量为70%的固体酒精有明亮火焰,但流淌现象偏重；乙醇含量为80%、90%的固体酒精燃烧时间长且不流淌。实验现象如图(1)所示。为达到直观的点燃效果,实验时可选用其中乙醇含量为80%～90%的废液。

图1 不同乙醇含量的固体酒精燃烧现象

(3) 按照4.3方法测试制备成的一系列不同乙醇含量的固体酒精发热量,每个样品测量3次求其平均值,实验结果见表1。

表1 不同乙醇含量的固体酒精发热量

注：①表中的百分数为制备固体酒精时所用乙醇溶液中乙醇的体积百分数；②QV为负值。

将乙醇的体积分数换算为质量百分数后,用固体酒精中乙醇的质量分数为横坐标,发热量为纵坐标作图,结果如图2所示,图中几个点基本形成一条直线,并且随着乙醇含量的增加燃烧放出的热量增加,这与理论推测是相符的,因为制备过程中加入硬脂酸的量是固定的,而含水量对燃烧热是没有任何影响的；同时说明用硬脂酸作凝固剂制备的固体酒精很均匀,不同浓度的乙醇溶液是完全被包覆进去的。

图2 不同乙醇含量的固体酒精发热量关系曲线

6 结语

固体酒精的制备及其燃烧热的测定实验涉及多个基础理论知识和基本操作,如热力学第一定律、固体酒

精的制备、燃烧热的测定等,实验现象稳定,重复性好。该实验项目体现了多学科相互渗透与交叉,适合于为已经具备无机化学、应用化学、物理化学和仪器分析等相应化学知识储备的学生开设,有助于提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识的培养。将溶液表面张力的测定实验产生的乙醇废液,通过变废为宝得到了充分利用,实现了零污染排放；从绿色化学的角度,用固体酒精作待测物取代萘,实现了绿色低碳的实验教学,同时使学生掌握了测定燃烧热的实验技术,了解氧弹式量热计的结构及使用方法。实验中融入更加贴近日常生活实际的实验内容,增加了实验的趣味性,激发了学生对实验的学习兴趣。

[1] 高明慧. 用绿色化学与环保理念推进大学化学实验教学[J]. 广州化工,2017,45(10):200-203.

[2] 何萍,张京京. 燃烧热的测定实验改进[J]. 化工时刊,2017, 31(9):18-20.

[3] 王新红,戴兢陶,吴秀红. 燃烧热测定实验的改进措施[J]. 实验室研究与探索,2012,31(7):236-238.

[4] 张建策,毛力新. 燃烧热测定实验的进一步改进[J]. 化工技术与开发,2005,34(6):43-44.

[5] 马志广,庞秀言. 物性参数与测定[M]. 北京:化学工业出版社,2009.

[6] 柴静雯,陈玉浩,李成昌.职业性慢性萘暴露对人体危害的研究[J].职业与健康,2000,16(4):1-3.

[7] 曾仁昌,赖焕然,潘湛昌. 乙醇燃烧热测定实验的改进[J]. 化学工程与装备,2010(7):142-143.

[8] 黄晓铁. 强化环境保护观念 开展绿色化学实验[J]. 吉林省教育学院学报,2012,28(4):54-55.

[9] 张康华,曹小华,谢宝华. 化学实验教学与绿色化学教育[J]. 实验室研究与探索,2010,29(5):123-125.

[10] 贾长英,唐丽华,张晓娟,等.固体酒精的制备工艺与性能研究[J]. 沈阳工业大学学报,2007,29(5):596-599.

[11] 董丽红,张淑香,王洪彦. 醋酸钙和硬脂酸钠为固化剂研制固体酒精[J]. 通化师范学院学报,2004,25(8):33 -36.

[12] 陈勇. 一种制备固体酒精的新方法[J]. 江西化工,2004,6(2):139 -140.

[13] 董金龙,李好样,杨春梅,等.四种含氧化合物燃烧热的测定[J]. 实验室科学,2014,17(6):4-6.

[14] 傅献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学：上册[M]. 北京:高等教育出版社,2013.

[15] 钱君律,甘礼华,李光明,等.上海城市污泥燃烧热的测定[J]. 实验室研究与探索,1999，18(3):49-51.