物理化学实验的绿色低成本改进

陈钰，赵娣，张冰洋，刘聪，王鑫(廊坊师范学院 化学与材料科学学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

物理化学改革是建设物理化学一流课程的重要组成部分[1-3]，绿色低成本理念对实验改革具有重大意义[4-6]，也是物理化学改革的重要组成部分。如凝固点降低法来测定物质的分子量需要用到环己烷和萘，但是环己烷是一种有机化合物、有刺激性气味的极易燃烧的液体，持续吸入对人体有很大危害；萘是一种有毒的物质，气味挥发到空气中对环境也有很大破坏。同时，环己烷和萘价格也比较高。所以对实验进行绿色低成本改进很有必要。

自来水是一种绿色溶剂，不但无毒无味环保绿色而且和其他溶剂相比廉价易得。葡萄糖无毒无害且廉价易得。用自来水替换环己烷，用葡萄糖替换萘，可以对凝固点降低法测定物质分子量的实验进行绿色低成本改进，符合绿色化学要求和低成本的目标。

1 实验部分

1.1 实验原理

凝固点降低法测定物质的摩尔质量是一个简单而比较准确的测定方法，当溶液凝固析出纯固体溶剂时，溶液的凝固点低于纯溶剂的凝固点，其降低值与溶液的质量摩尔浓度成正比。即ΔTf=Tf*-Tf=KfmB，其中Tf*表示纯溶剂的凝固点，Tf表示溶液的凝固点，mB表示溶液中溶质B的质量摩尔浓度，Kf表示溶剂的质量摩尔凝固点降低常数。若称取一定量的溶质WB(g)和溶剂WA(g)，配成稀溶液，则可以通过公式MB=KfWB/ΔTfWA得出溶质的分子量。

1.2 试剂或材料

D-(+)-葡萄糖(C6H12O6) 来自北京伊诺凯科技有限公司，自来水(分子式H2O) 来自实验室。

1.3 仪器和表征方法

测试仪器为FPD-4A 型凝固点降低(半导体制冷) 实验装置(南京南大万和科技有限公司)。测试条件为常温常压。

1.4 实验步骤/方法

将实验需要的软件安装在电脑上，把电脑与凝固点降低装置连接好。打开装置电源，调节功率在5 V 左右，设置合适的搅拌速度(实验期间不能调节功率和搅拌速度)。用分析天平称取15 g 左右的自来水加入凝固点管中，将其放入凝固点降低装置里，盖好盖子，插好传感器和搅拌棒，此时打开电脑上的千分温度计软件，开始运行，进行水的凝固点的测定。待图中出现第一个平台(即水的凝固点)，取出凝固点管将其捂热至融化后，称取0.05 g 左右的葡萄糖加入水中，进行测定葡萄糖溶液的凝固点，待图中出现第二个平台(即葡萄糖溶液的凝固点) 时，停止实验，保存实验数据、关闭仪器、切断电源、收拾好实验台。

2 结果与讨论

2.1 数据处理

根据以下计算公式：

再结合实验数据可以得出曲线图，如图1 所示。

图1 水和葡萄糖水溶液的凝固点曲线图

将数据进行计算得：

代入数据得实验值：M葡=181.01 g·mol-1；

已知理论值：M葡=180.16 g·mol-1；

则可计算得出：绝对误差为0.847 g·mol-1，相对误差为0.47%。

2.2 对曲线图的分析

将实验样品改进为葡萄糖和自来水后，图中出现的两个平台与之前的曲线图相比更加清晰直观、简单明了，图中可读出自来水的凝固点为273.639 K，与水的理论凝固点相差不太大，葡萄糖水溶液的凝固点在曲线图中可以读出为273.572 K，改进后的实验明显可以使结果更加准确可信且结果易得，初步验证了此改进实验比原实验更加简便。相比之下，较简便的实验可以使学生们对化学实验产生更加浓厚的兴趣，并且不再恐惧对实验数据的处理，经过多方面考虑可知此改进实验具有可行性。

2.3 对计算结果的分析

从误差值看出改进后的实验所得葡萄糖分子量与查表得到的葡萄糖理论分子量是有一定差距的，经过对误差的分析可得出误差的原因与进行实验时实验室当时的温度湿度、葡萄糖吸湿性、自来水杂质等有关，但此误差值在该实验允许的范围内，而且可以通过实验时准确地操作来尽量减小。从计算量角度分析，改进后的实验计算量较小，可以让学生们将此次实验的重心放在操作上，更好锻炼了学生们的动手能力。另外，可以引导学生们对实验产生的误差进行讨论分析，锻炼学生们的实验分析思维。改进后的实验有利于学生们各种能力的发展，所以可以进一步确定此实验用葡萄糖和水来代替环己烷和萘是可行的。

2.4 对减小实验误差的分析

为减小葡萄糖吸湿性的误差，可以将未称量的葡萄糖分为几个塑封袋密封保存，用后将剩余葡萄糖及时封袋以备下次实验使用，称量好的葡萄糖及时放入凝固点测试仪中；其次由于仪器本身的规格不同也会产生误差；以上所述的误差可以通过规范操作来减小。为了达到更加绿色环保的理念，改进后采用自来水作为溶剂。相比环己烷，虽然自来水中有各种杂质会影响其凝固点的准确性，但从数据以及曲线图可以得出这几种误差都不会对实验结果有太大影响，所以改进实验可以顺利进行。

2.5 对改进实验整体的可行性进行分析

此改进基于绿色廉价等理念，以实验的可操作性为原则探究出合适的样品(葡萄糖和自来水) 代替环己烷和萘，改进后的样品无环己烷和萘的刺激性气味。环己烷和萘的刺激性气味长时间吸入会对人体有非常大的危害，改进后的实验避免了环己烷和萘的这种致癌性危害，避免长时间吸入而带来的身体不适，影响学生的学习进度、学习兴趣和精力。所以改进实验后不仅保护了实验环境，更重要的是保护师生的健康，使学生们更好的生活和学习进而更加喜欢实验。虽然自来水中杂质较多，但是经过大量尝试以及对多次实验数据的分析，发现自来水中的杂质对此实验结果影响较小，产生的误差在可接受的范围内。此改进的另一个优点是成本较低，与改进前的样品环己烷和萘相比，自来水可以直接在实验室获得，葡萄糖在购买时同样比较便宜而且购买时比较容易，不像某些毒性药品在购买时需要经过各种审批才可以到达实验室供使用。所以在对此实验的绿色低成本改进是成功的，达到了预期的目标。

3 结语

改进后的实验经过多次尝试，对多次结果进行定性分析，对多次实验数据进行定量分析，发现误差值都在此实验允许的范围内，而且操作比改进前更加便捷。此次改进的另一大特色是用自来水作为溶剂、葡萄糖作为溶质后，使得实验样品廉价易得、实验更加符合绿色化学发展理念，有利于确保实验室环境卫生，很好的响应了国家对环境保护以及绿色化学的号召。