水蒸气蒸馏和重结晶实验项目的改进

陈 霞 周晓玉 刘海龙

（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004）

基础化学实验是化学类本科专业实践教学的专业基础性课程，在本科人才培养过程中占据重要地位。当前，基础化学实验普遍存在“重基础、轻应用”的问题，导致课程枯燥、乏味，弱化了对学生创新能力的培养功能［1-3］。基础化学实验所开设的实验项目以传统的基础验证性为主，实验试剂仪器和操作流程存在刻板、陈旧、不规范等问题，且自身缺乏创新。此外，基础化学实验中结合生产生活实际和科技前沿的实验项目极其匮乏，不能有力支撑创新型人才培养的需求。基于此，针对当前基础化学实验课程中存在的问题，可从基础化学实验项目开发、创新性实验项目的应用等方面逐步实施，使得基础化学实验教学满足人才培养的需要。同时，有效地促进本科生创新能力培养，推动创新创业教育的发展。

随着近代合成化学的发展，分离提纯的技术和手段愈来愈显示出它的重要性。对化学相关专业学生来说，熟练地掌握各种分离提纯技术是十分必要的。“水蒸气蒸馏”和“重结晶”实验属于基础化学实验项目。其中，“水蒸气蒸馏”除广泛应用于有机化合物分离纯化外，在有机物、无机物除水等方面亦有重要应用［4-6］；重结晶是提纯固体有机化合物最有效和最常用的方法之一，在实验室研究和工业生产中占据着不可替代的地位。

“水蒸气蒸馏”实验项目，教材集中于水蒸气蒸馏分离纯化溴苯或甲苯等有机物，主要针对水蒸气蒸馏基本原理进行验证［7-11］。近年来，关于“水蒸气蒸馏”实验改进的研究，主要体现在实验装置的改进［12-15］和天然物质提取［16-17］等方面，依然无法满足本科实验教学的需要，尤其是在地方性高校应用型人才培养方面没有优势。因此，开发以“水蒸气蒸馏”反向设计的含结晶水无机盐共沸除水实验项目，可以有效地丰富“水蒸气蒸馏”实验的内容。

“重结晶”实验项目通常是根据固体有机化合物在溶剂中溶解度随温度改变的原理来实现重结晶分离纯化，即“热溶冷析”法，如图1所示［7-11］。

图1 “热溶冷析”重结晶法

但是该方法不适用于热不稳定的物质、手性物质等，同时加热过程会造成能源的浪费，限制了其在工业生产中的应用。因此，寻找适用范围更广、与工业生产联系紧密的方法是十分必要的。已有文献对重结晶实验进行改进的相关报道，但主要集中于实验装置、滤纸、过滤或热过滤方式等方面［18-24］，与实际应用联系紧密的项目研究仍然有限。因此，紧密结合工业生产实践，采用更贴合生产实际的“良溶不良析”的重结晶方法，即被分离物质溶解于良溶性溶剂中、在不良溶性溶剂中析出，如图2所示，并进一步探索和改进。提出适用于大学基础化学实验教学的“重结晶”实验项目是一项有意义的工作。

图2 “良溶不良析”重结晶法

通过“水蒸气蒸馏”和“重结晶”实验项目的改进，不仅可以有效地丰富实验内容，也能够在很大程度上改善目前分离提纯技术实验项目中步骤不规范、方法陈旧和与生产实际相剥离等问题。

一、设计思路

将水蒸气蒸馏和重结晶实验从单纯的“验证性实验”扩展到实际应用领域，突出实验项目的实用性，有利于应用型人才的培养；从“固定试剂种类和用量”演变为“自主摸索式”实验项目，在基础实践教学中训练学生的创新意识和创新能力，启迪学生的创新思维，激发学生的创新激情，培养学生的探索精神和科学素养；实验结果形式从“实验报告”走向“卡片填空式”，摆脱传统的实验报告，简化实验教学中程序化的内容，采用硬质彩色卡片，给予学生视觉的美感和舒适感，调动学生的学习兴趣，提高实验教学的质量和效果。

二、实验仪器和试剂

（一）水蒸气蒸馏

仪器：圆底烧瓶、集热式磁力搅拌器、分水器、直形冷凝管、蒸馏头、温度计、温度计套管、接引管、烧杯、量筒、电子分析天平。

试剂：六水合硫酸镍、六水合氯化镁、五水合硫酸铜、甲苯、乙醇、正丙醇、正丁醇以及其他常见溶剂。

（二）重结晶

仪器：圆底烧瓶（250 mL、100 mL）、磁力搅拌器、恒压滴液漏斗、布氏漏斗、集热式磁力搅拌器、烧杯、表面皿、量筒、温度计、台秤、熔点仪。

试剂：苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚、吲哚、乙醇、水、乙酸乙酯、石油醚以及其他常见溶剂。

三、实验研究

（一）水蒸气蒸馏实验

1.水蒸气蒸馏的反向设计

在传统“水蒸气蒸馏”实验项目中，利用共沸的原理实现有机物的分离纯化，一般以沸点较高、相对稳定的有机物作为分离对象，让学生在实验中简单了解水蒸气蒸馏的原理。在此实验项目改进中，通过水蒸气蒸馏的反向设计，即利用有机物与水能够形成共沸物的性质，开展含结晶水无机盐的除水研究。

实验研究中，分别以六水合硫酸镍、六水合氯化镁、五水合硫酸铜为待除水物质，以甲苯、正丙醇或叔丁醇为共沸溶剂，通过共沸溶剂体积优化，获得最优共沸除水效果的溶剂用量；在获得以上数据的基础上，设计“水蒸气蒸馏”实验项目。

2.实验步骤

“水蒸气蒸馏”实验流程如图3所示。

图3 水蒸气蒸馏实验流程

第一步：称取5.00 g待处理物质置于圆底烧瓶中，加入共沸溶剂（x mL），搭建蒸馏装置，通入冷凝水并开始加热，控制蒸馏馏速1-2滴/s。

第二步：待蒸馏至剩余悬浮液约10 mL时停止加热，冷却并拆除蒸馏装置，抽滤除去剩余溶剂。

第三步：真空干燥、称重，并计算水蒸气蒸馏除水效率。

3.实验数据说明

综合考虑原材料价廉易得、实验项目可操作性强、安全性高等因素，分别选择六水合硫酸镍、六水合氯化镁、五水合硫酸铜为待处理物质，以甲苯、乙醇、正丙醇和正丁醇为共沸溶剂，进行实验项目研究，结果如表1、表2、表3所示。

表1 六水合硫酸镍（5.00 g）的水蒸气蒸馏处理（理论含水量：2.05 g）

表2 六水合氯化镁（5.00 g）的水蒸气蒸馏处理（理论含水量：2.66 g）

表3 五水合硫酸铜（5.00 g）的水蒸气蒸馏处理（理论含水量：1.80 g）

实验课程中，学生可自行选择多种含结晶水无机盐作为待处理物质，并根据所选物质再尝试不同的共沸溶剂及其体积，蒸馏、抽滤、真空干燥并称重分析后，得出不同溶剂及不同体积对含结晶水无机盐除水效果的影响规律。通过实验项目的改进，提高实验项目的实用性，培养学生综合分析、解决问题的能力及创新意识。

4.实验注意事项

第一，通过控制加热浴的温度，使得蒸馏馏速控制在1-2滴/s。

第二，蒸馏装置的安装顺序一般是从热源开始，先在架设仪器的铁台上放好电热套或燃气灯，再根据电热套或燃气灯的高低依次安装铁圈（或三脚架）、石棉网（或水浴、油浴），然后安装蒸馏瓶。

第三，蒸馏完毕，应先关闭加热器电源或熄灭燃气灯，然后停止通水，再拆下仪器。

（二）重结晶实验

1.实验原理

苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚是重要的有机合成中间体，广泛应用于医药、染料载体、香料和农药等的生产。

良性溶剂是指对某一物质溶解性好的溶剂，反之为这一物质的不良性溶剂；良性溶剂和不良性溶剂的区分是因物质的不同而不同，是相对的［12］。在室温下，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剂，水和石油醚属于不良性溶剂。本实验采用“良性溶剂溶解、不良溶剂析出”，即“良溶不良析”的方法来重结晶分离提纯苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚。

2.实验步骤

重结晶实验流程如图4所示。

图4 重结晶实验流程

第一步：称取5.0 g待提纯物质3份（A、B和C三组）分别置于250 mL圆底烧瓶中，25℃时，在磁力搅拌下缓慢滴加良性溶剂（乙醇或乙酸乙酯）至可溶性固体溶解。

第二步：待可溶性固体全部溶解后，记录所用良性溶剂（乙醇或乙酸乙酯）用量（x mL）和温度（T℃）；过滤，除去不溶性杂质。

第三步：在不断搅拌下，向以上溶液中缓慢滴加不良性溶剂（水或石油醚）至有固体析出。

第四步：继续分别向以上体系中滴加水或石油醚，A、B、C中加入不良性溶剂（水或石油醚）的体积分别至x mL、2x mL、3x mL，并继续搅拌10 min。

第五步：分别进行抽滤、用不良性溶剂（水或石油醚）洗涤（5 mL×3次）。

第六步：水蒸气干燥、称重，并计算回收率。

第七步：测定产品的熔点。

3.实验数据说明

综合考虑原材料价廉易得、实验项目可操作性强、安全性高等因素，分别选择苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚作为待提纯物质，以乙醇-水和乙酸乙酯-石油醚为重结晶溶剂体系，开展实验项目研究，具体实验数据如表4、表5、表6、表7所示。

表4 苯甲酸（5.0 g）的重结晶（T=25℃）

表5 乙酰苯胺（5.0 g）的重结晶（T=25℃）

表6 2-萘酚（5.0 g）的重结晶（T=25℃）

表7 吲哚（5.0 g）的重结晶（T=25℃）

实验教学中，学生可自行选择苯甲酸、乙酰苯胺、2-萘酚和吲哚等粗产品作为待提纯物质，尝试与不同种类的溶剂进行搭配，从而实现目标产品的纯化。采用此种“良溶不良析”的重结晶方法，在针对未知溶解度的化合物进行纯化时，首先需要测定其在不同种类溶剂中的溶解度；随后，根据不同溶剂中的溶解度差异，选择合适的溶剂；最后，根据已经掌握的溶解度情况再开展重结晶实验探索。通过重结晶实验项目的改进，学生可深入掌握重结晶的基本原理、规范化操作，使得基础化学实验与实际使用情景更加接近，提高学生分析、解决实际应用问题的能力及创新意识。

4.实验注意事项

第一，苯、氯仿、二氧六环、吡啶等已经被证实或怀疑具有致癌或诱发性毒性，故尽可能避免使用［10］。

第二，水蒸气干燥过程中需经常翻动晶体。

第三，产品彻底干燥后，才能测定熔点。

四、“卡片填空式”实验项目设置

（一）水蒸气蒸馏

通过如图5和图6所示的“卡片填空式”实验项目设置，学生实验过程中可根据课前查阅资料掌握的知识来选择实验试剂种类和用量，实验项目不再是千篇一律的重复性、趋同性实验操作［25］。

图5 卡片正面

图6 卡片背面

为了完成卡片，学生需要探究溶剂的种类和用量对除水率的影响，从而有效地督促学生主动思考，启迪学生的创新思维，培养学生的探索精神和科学素养。

各式各样的硬质彩色卡片，如图7所示。

图7 部分卡片样式

多种颜色的卡片可以给予学生视觉的美感和舒适感，同时，整个实验流程清晰明了。简化实验教学中程序化的预习报告和实验报告，调动学生学习化学学科的兴趣，在卡片中送给每个学生不同的励志美句，既传授了专业知识与技能，又潜移默化地开展了课程思政，实现“立德树人”的根本任务。

（二）重结晶

设置“重结晶”实验的填空式彩色卡片，具体如图8所示。

图8 “卡片填空”式重结晶实验

整个实验流程清晰明了，摆脱了费时又低效的预习报告和实验报告。为了完成此卡片，学生需主动查阅资料、发现问题和解决问题。此外，实验操作具有更多的不确定性，从而有效地督促学生主动思考和创新。值得一提的是，实验教学中学生可以自主选择粗物质和所用的溶剂，并进一步摸索其用量对回收率的影响，增强教学灵活性的同时提高实验教学质量。

五、结语

改进的“水蒸气蒸馏”和“重结晶”实验项目主要突出综合性、探索性和研究设计性、应用性、与时俱进性等四方面：第一，综合性，即将教科书中的基础性、验证性和演示性实验项目融入解决实践问题过程中。学生通过问题分析-实验设计-问题解决的方式，完成实验内容，从中获取知识和经验，锻炼其分析问题、解决问题的综合能力，培养其创新意识；第二，探索性和研究设计性，即在保证实验项目安全、可操作的前提下，应用实验过程和结果不可预见或不可完全预见的实验项目，改变照搬教科书中试剂、仪器、操作流程的实验教学方式，鼓励学生在实验课程中自主探索，激发学生的创新潜能；第三，应用性，即实验项目具备跟生产、生活实践相结合的特征，与理论知识的定义、概念等刻板形象形成补充和对比，体现实践性课程的应用性；第四，与时俱进性，即改革演示性、基础验证性实验项目，将其融入生产生活实践、科技前沿等领域，使得陈旧但实用的实验操作焕发新的生机和活力，引导学生的创新思维养成。

教学团队将所改进的“水蒸气蒸馏”和“重结晶”实验项目应用于化学相关各专业基础化学实验课程教学，学生能够更深刻地理解“水蒸气蒸馏”和“重结晶”的原理和应用，从“简单验证性”扩展到“实际应用”，突出实验项目的实用性，改善传统实验项目重操作轻应用的弊端；把实验操作从“固定试剂种类和用量”演变为“自主摸索式”，在基础实践教学中训练学生的创新思维和创新能力；实验结果形式从“实验报告”走向“卡片填空式”，摆脱传统的实验报告，简化实验教学中程序化的内容，从而提高实验教学的质量和效果。同时，改进后的实验项目增加了课程教学的新颖性，调动了学生的学习积极性，有效提高了实验课程的教学质量。此外，彩色卡片送给学生励志美句，进行一次爱的传递，贯彻“教学育人”的理念，为其他化学相关实验课程的改革提供了一条可行的思路。