凝固点降低法测摩尔质量实验优化方法

＊蓝 邦

（嘉应学院化学与环境学院 广东 514015）

引言

凝固点降低法测定摩尔质量实验是经典的物理化学实验之一。该实验是基于稀溶液依数性——凝固点降低的性质，利用简单的实验装置，计算溶质的摩尔质量。经典的凝固点降低实验室在实验过程中存在以下三个问题，（1）通常采用简单的冰水浴，环境温度不恒定；（2）实验过程中当溶液或者溶剂温度降到一定范围内时要加上套管减缓温度降低的速度，并且需要改变搅拌速度。在此过程中学生可能会因为操作经验不足使溶液过冷，无法起晶，导致实验失败。（3）在实际操作过程中，由于受到寒剂温度的影响，往往测不到温度回升并保持相对恒定这个阶段。观察到的现象是温度回升后继续下降直到完全结晶。学生如何利用实验数据计算摩尔质量时会遇到困难。为了解决这些问题，很多设备生产厂家都在想办法改进装置，其改进途径包括：（1）使用半导体制冷或者低温恒温水浴[1-4]代替冰水浴，以改进寒剂温度不恒定的情况[5]；（2）利用机械搅拌代替人工搅拌，减少搅拌速度导致的溶液过冷等。虽然改进的设备在一定程度上能让实验顺利开展，但成本高，且设备需要定制。

针对实验过程中的问题，我们对现有的实验装置进行优化，主要包括四个方面：（1）采用大小两个烧杯，装入冰水混合物，形成套管式的恒温装置，解决实验过程中冰水浴不稳定的情况，同时烧杯透明，容易观察玻璃管中的实验现象；（2）定制双层玻璃样品管，以减少学生操作过程中因缺乏操作经验而错过增加隔热套管的时间；（3）用磁力搅拌代替人工搅拌或机械搅拌，不仅可以控制实验过程搅拌速度，还能减少药品的消耗，容易观察到结晶的现象；（4）优化数据处理方法，利用最低点温度代替凝固点温度。

1.实验装置的改进和计算方法的优化

(1)实验装置的改进

改进前后的实验装置如图1所示。

图1 凝固点测定装置示意图

原有装置采用单层烧杯，冰水浴温度受环境温度影响较大，特别是在夏天进行实验时，多数装置的改进方法是在单层烧杯外增加隔热层，以减少冰水浴温度变化。本实验是采用250mL的烧杯放置在1000mL的烧杯中（注：在250mL和1000mL的烧杯中都放有冰水浴）。避免冰水浴温度变化过快。因为烧杯是透明的，在实验过程中可以清楚地到观察结晶的实验现象。在搅拌方面，改进后的实验装置采用磁力搅拌代替人工搅拌或者机械搅拌。在实验套管方面，使用定制双层样品管代替原有的套管。此改进措施能减少学生操作失误，集中观察实验现象，容易控制搅拌速度，且可同时记录温度。

(2)计算方法的优化

实验中，要分别测量溶剂和溶液的凝固点。纯溶剂的步冷曲线如图2（a）所示，将溶剂逐渐降低至过冷，温度降低至一定值时出现结晶，当晶体生成时，放出的热量使体系温度回升，而后温度保持相对恒定。对于纯溶剂来说，在一定压力下，凝固点是固定不变的，直到全部液体凝固成固体后才会下降。相对恒定的温度即为凝固点。

图2 溶剂和溶液的步冷曲线

对于溶液来说，除温度外还有溶液浓度的影响。当溶液温度回升后，由于不断析出溶剂晶体，所以溶液的浓度逐渐增大，凝固点会逐渐降低，导致凝固点不是一个恒定值。如果把回升的最高点温度作为凝固点，这时由于已有溶剂晶体析出，所以溶液浓度已不是起始浓度，而是大于起始浓度，这时的凝固点不是原浓度溶液的凝固点。因此需要精确测量，影测出步冷曲线，按照图2（b）所示方法，外推至Tf校正。

但是在实际操作过程中，由于受到寒剂温度的影响，往往测不到温度回升并保持相对恒定这个阶段。观察到的现象是温度回升后继续下降直到完全结晶。因此，本实验把测量凝固点温度，改为观察最低点温度，如图2可知。

据此，已知溶剂（环己烷）的凝固点降低常数 Kf=20.0K·kg·mol-1，通过实验测定凝固点降低值 ΔTf，℃，即可求得溶质的摩尔质量MB，g·mol-1。

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优化后的方法既能方便学生观察实验现象，同时也能提高实验结果的准确度。

2.实验部分

JDT-4B型数字式双通道温度温差测量仪（南京南大万和科技有限公司）、JBZ-14H型磁力搅拌器（上海大普仪器有限公司）、ME104E型电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）、定制双层套管、烧杯、移液管、环己烷（分析纯）、萘（分析纯）。

(1)实验步骤

①未改进装置的实验操作步骤

A.安装仪器

按照图1（a）安装实验装置。

B.调节冰水浴温度

C.溶剂凝固点得测定

用移液管准确移取20mL环己烷注入凝固点测定管（注意不要使环己烷溅在管壁上），塞紧软木塞（以免溶剂挥发），直接浸入冰浴（注：在接近凝固点测量时，尽量避免搅拌，使冰浴温度保持在一定的区间）。观察温差测量仪读数，当温度出现回升时，记下最低温度的读数。重复测定3次，取其平均值。

D.溶液凝固点的测定

取出凝固点测定管，使管中结晶全部融化，加入准确称量的萘0.10g左右（应防止其粘着于管壁、温差探头或搅棒上，此量约使其溶液凝固点降低0.5℃），使其完全溶解。按上述方法测定溶液的最低点温度，实验过程中，每隔15s记录一次温差读数。重复测定3次，取其平均值。

②改进装置的实验操作步骤

A.安装仪器

按照图1（b）安装实验装置（注：温差测量仪的探头应悬空在溶剂或溶液中，不可与凝固点测定管或者磁力搅拌子相接触，避免操作误差）。

B.调节冰水浴温度

C.溶剂凝固点的测定

用移液管准确移取10mL环己烷注入样品管中，塞紧硅胶塞。全程保持均匀快速的磁力搅拌速度。观察温差测量仪的读数，实验过程中，每隔15s记录一次温差读数。当温度出现回升时，记下最低温度的读数。重复测定3次，取其平均值。

D.溶液凝固点的测量

取出凝固点测定管，温热使管中结晶全部融化，加入准确称量的萘0.05g左右使其完全溶解。与测定溶剂的凝固点的实验条件相同，按上述方法测定溶液的最低点温度（相对值），重复测定3次，取其平均值。

(2)实验数据分析

按照2.1.1的实验步骤进行操作实验数据见表1。

表1 改进前凝固点降低测定萘分子量

按照2.1.2的实验步骤操作，实验结果见表2。

表2 改进后凝固点降低测定萘分子量

对比改进前后两种实验设备的实验结果可以看出，采用改进后的实验装置以及优化的计算方法后，实验结果的相对误差小于未改进的装置。此结果说明采用磁力搅拌、双层烧杯冰水浴分别代替机械搅拌、保温层和原有的单层样品管后实验对环境温度要求降低。由实验结果可知，改进前的冰水浴恒定在实验要求的2.5～3.5℃范围内，但实验结果相对误差较大。改进后的实验装置，虽然冰水浴的温度波动较大，但实验结果相对误差较小。说明采用双层样品管以及磁力搅拌的方法不仅可以降低实验受寒剂温度的影响，同时也能观察到结晶的过程，学生容易操作。

3.结论

通过对凝固点降低法测摩尔质量的实验中影响因素的探究可以发现，若采用双层样品管、磁力搅拌和双层冰水浴分别代替机械搅拌、保温层和单层样品管，不仅可以减少实验因环境温度引起的实验误差，保证实验结果的准确率，也可以减少试剂的使用量，减少对环境的污染，且具有学生容易操作的优势。