二组分气－液平衡相图实验的绿色化研究

苑 娟，万 焱，褚意新

（河南中医学院 药学院，河南 郑州 450046）

绿色化是21世纪实验室建设和实验教学工作的方向和目标，培养具有绿色环保理念的高素质人才是大学教学的重要任务。实验教学环节通过学生的亲身体验成为培养学生绿色环保理念的第一重要环节，因此各高校实验工作者在实验改革和绿色实验室建设方面的研究和探索从未止步［1－11］。二组分气－液平衡相图实验是高等院校物理化学课程的经典实验和必开实验。但该实验理论抽象难懂、仪器操作复杂、试剂消耗量大、测量数据点多、数据处理技巧性强，初学者在有限学时内往往难以做出理想结果。本文结合多年的教学实践，提出了对该实验的绿色化创新改革方案。

1 改进实验装置

沸点测定仪是该实验的主体装置。酒精灯是该实验最经济的加热方式，但酒精燃烧的废烟污染实验室空气，给师生的身体健康带来影响，且使用不当易引起火灾。电加热丝加热虽然快捷、方便，但学生在实验操作过程中往往因对实验步骤不熟悉，且急于求成，极易导致电压过高，烧断加热丝。鉴于此，我们引入了低压恒流电源（型号 WLS－2，测量范围0～2A；0～15 V），其最高电压不超过电加热丝的额定电压（15V），有效避免了学生因操作不当对仪器的损坏。同时，为解决该实验耗时长的问题，把几个沸点仪串联起来共用一个冷却系统，装置如图1所示，这样不仅达到了缩短实验时间、节约用水的目的，而且让同组的学生都有独立操作实验的机会。当然，为确保实验的准确性和图形的成功绘制，串联沸点仪中贝克曼温度计的基温需及时校正。

图1 沸点仪的串联示意图

2 巧选实验体系

该实验所采用的二组分体系主要有环己烷－乙醇［12］、乙醇－正丙醇［13］等，而采用正丙 醇－水为体系的相关研究报道较少。本校近年尝试了正丙醇－水的二组分体系相图实验，该相图属于具有最低恒沸点的类型。正丙醇－水体系的选择渗透着绿色化学的理念。首先，水绿色无污染、廉价易得。水代替有机试剂，大大减少了试剂使用量和废液排放，更符合绿色实验室建设宗旨。其次，实验中发现，学生在实验操作中往往用蒸馏水清洗完沸点仪后，未进行干燥处理就直接加样实验，若采用的是环己烷－乙醇、乙醇－正丙醇等非水体系，水的引入使该体系由二组分体系直接变为三组分体系，使实验失去意义。但若采用正丙醇－水体系，则可以轻松地消除人为错误给实验带来的影响，且正丙醇－水体系的最低恒沸点也易从实验测到。实践证明，采用正丙醇－水体系进行实验，结果理想可靠。图2是采用学生实验数据绘制的正丙醇－水的T－X相图，由图2可见，该相图气相线和液相线距离较宽，图像较完美。

图2 水－正丙醇的T－X相图

3 试剂配制因时制宜

传统的试剂配制方式是每组学生自己配制，实验完毕作为废液倒掉，不仅造成试剂的巨大浪费，而且污染环境，与绿色环保的理念相违背。目前高校主要采用“提前配制法”和“逐次添加法”来解决试剂浪费问题［14－15］。“提前配制法”即由实验员提前配制好不同浓度的一系列溶液，实验结束放回原瓶循环利用，其浓度的微小浮动可通过少量添加不同组分的方式进行微调。循环利用的次数越多，试剂利用率越高，从长远讲该法是最经济节约的方式。“逐次添加法”即在沸点仪中先添加一定量的纯组分进行实验，而后逐次少量添加另一组分使体系浓度逐渐变化，边添加边实验，直至完成所有实验点的测量。该法与传统试剂配制方法相比，可显著提高试剂利用率，减小浪费，但当平行实验班较多时仍不如“提前配制法”经济，因此该法主要适用于平行实验班较少的情况。

我校物理化学实验为大循环实验，全年开设情况不均衡。每年上半年平行班级较多，达6～7个，下半年平行班级较少，只有1～2个。针对实际情况，我们对试剂的配制采取了不同方式，当平行班级较多时采用提前配制法，当平行班级较少时采用逐次添加法，以达到减小试剂消耗和污染的绿色化实验方式。

4 数据测量因样而异

该实验不仅要测量不同浓度样品的沸点，而且要测其达到气－液两相平衡时气相和液相的折射率，以求平衡两相的浓度，并最终做出T－X相图。不难发现，该实验的待测样品中有2个是特殊的，一个是纯水，另一个是纯的正丙醇，都是纯物质体系，即T－X相图中两端点的样品。理论上讲，这2个样品达气－液两相平衡时，其两相的折射率应该相等，即浓度相等（x＝y），因此实验时只需测其沸点，而无需测两相的折射率。但作为初学者，几乎所有的学生在测完这2个样品的沸点后都盲目地测量其气、液两相的折射率，不仅浪费了实验时间，更严重的是，由于各种人为误差的引入，他们测出的两相折射率大多不相等，结果直接导致纯物质体系气－液平衡两相的浓度不相等，做出的T－X相图两端不是封闭的，而是开口的，与相关理论大相径庭。为避免此类现象的屡次发生，在实验讲义和该实验台的醒目位置均设置了提醒标志，该措施大大降低了实验的错误率。

5 结束语

本文从实验仪器的升级改造、实验装置的串联、实验体系的巧妙选择、试剂配制方式的灵活变化、数据测量的恰当处理等方面对二组分气－液平衡相图实验的绿色化改革进行了阐述。实践证明，该措施简便实用、效果显著。绿色实验和绿色实验室建设是一项长期而艰巨的工程，必须持久付出辛勤劳动和聪明智慧。

（References）

［1］乔薇，陈慧珍，叶燕媚，等.构建新校区绿色化学实验平台的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（12）：187－189.

［2］杨天文，杨文远，倪刚.改革实验教学，走绿色化学之路［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：17－20.

［3］陈功轩，张蕾，黄青，等.创建绿色高效无机化学实验室的探讨［J］.实验技术与管理，2012，29（9）：187－190.

［4］郝玉兰，张荣明，王俊，等.绿色化学实验教学体系的探索与实践［J］.实验室科学，2012，15（5）：9－13.

［5］苑娟，王俊敏，李晓飞，等.药学专业物理化学实验教学的绿色化改革［J］.药学教育，2011，27（4）：57－59.

［6］张颖，姜文清，卞国庆.环己烯合成实验的绿色化改进［J］.化学教育，2012（3）：65－68.

［7］张凤秀，叶霞.绿色化学在我国化学实验教学改革中的应用［J］.大学化学，2010，25（3）：29－34.

［8］平措，马橘红.物理化学实验室绿色化建设初探［J］.实验技术与管理，2009，26（12）：132－133.

［9］周亶，李学军，黄祖洪.构建绿色化学实验室之浅见［J］.高教论坛，2007（1）：47－49.

［10］杨连利，郭乃妮.对化学实验教学绿色化的探讨［J］.大学化学，2007，22（4）：18－20.

［11］梅付名，莫婉玲，马利芬.物理化学实验中的绿色化学教育［J］.化学教育，2003（12）：42－43.

［12］崔黎丽.物理化学实验指导［M］.北京：人民卫生出版社，2007.

［13］张师愚，杨慧森.物理化学实验［M］.北京：科学出版社，2002.

［14］周益明，孙冬梅，邵忠明.一种调整双液系浓度的简捷方法［J］.南京师大学报：自然科学版，1997，20（3）：34－36.

［15］梅燕，马密霞.关于“完全互溶双液系的气液平衡相图”实验的改进［J］.邢台师范高专学报，1999，14（4）：68－70.