２０１１年３９卷第５期 广州化工 ・１６９・ 双液 系气 液平衡相图绘制实验的改进效果评价冰 仝艳，李晓飞，万焱，苑娟，李玉贤 （河南中医学院药学院，河南 郑州４５０００８） 摘 要：结合本校在双液系气液平衡Ｔ—ｘ相图绘制实验的改革，通过对以往文献分析和总结，评价了近年来该实验在体系选 择、沸点仪的改进、待测样的配置技巧以及数据的自动化处理等方面取得的进展。该实验的每一处改进均体现出对相平衡理论的深 刻理解以及实验室绿色环保意识的不断提高。 关键词：气液平衡；相图；双液系；二组分；物理化学 Ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｇａｓ——Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍ ｗｉｔｈ Ｂｉｎａｒｙ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｙｓｔｅｍ ＴＯＮＧ Ｙａｈ，ＬＩ Ｘｉａｏ一 ，ＷＡＮ Ｙａｈ，ＹＵＡＮ Ｊｕａｎ，ＬＩ Ｙｕ—ｘｉａｎ （Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｈｅｎａｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｏｕｒ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ ｅｑｕｉ— ｌｉｂｒｉｕｍ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ ｗｉｔｈ ｂｉｎａｒｙ ｌｉｑｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍ ｏｆ ｅｂｕｌｌｉｏｍｅｔｅｒ， ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｅａｃｈ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｄｅｅｐｌｙ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ— ｍｅｎｔ ｏｆ ｍａｎｋｉｎｄ’Ｓ ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ；ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ；ｂｉｎａｒｙ ｌｉｑｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｂｉｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈｅｍｓｉｔｒｙ 双液系气液平衡Ｔ—ｘ相图的绘制是高校物理化学课必开 的一个经典实验，该实验不仅数据量大，操作时间长，而且很多 仪进行了各个方面的改造，以期达到更方便、更实用和更科学的 目的。 环节都需要一定的操作技巧，仪器的操作以及数据处理也都较 ２．１ 实验装置微型化 复杂，初学者在短时问内往往难以做出令人满意的结果，因此关 周爱秋 等把沸点仪的各组件的体积大规模减小，实现微 于该实验的改进和探讨始终没有停止。这些改进点有很多精彩 型化。该法的药品消耗量比常量法减少了１／２。微型化有利于 之处，但大多都只是针对某一些方面的改进，而对于该实验的全 绿色化实验室的建设，是值得推荐的一种装置。 面探讨还比较缺乏。鉴于此，就近年来该实验在体系的选择，装 置的改进，样品的配置，以及数据的自动化处理等方面进行系统 性的回顾和总结。 ２．２沸点仪的串联 本校物理化学实验为大循环实验，为了解决实验耗时长的 １ 实验体系的选择 实验设计者为了考察更多的相平衡知识点，一般选择具有 最低恒沸点的双液体系。早期教材一般选择苯一甲醇或者苯一 乙醇等体系，由于苯剧毒，目前已鲜有使用，环己烷一乙醇或者 环己烷一异丙醇体系是目前大部分高校采用的体系，也有采用 乙醇一乙酸乙酯…和正丙醇一水 Ｉ３ 的，而乙醇一正丙醇体系 问题，把几个沸点仪串联起来，共用一个冷却系统，即第一个沸 点仪的循环冷却水的出水管接入第二个沸点仪的冷凝管入水 口，依次类推，使实验时间大大减少，而且也使同一组的学生都 有更多单独的操作机会。此方法适用于实验学时较少的学校选 用。需要注意的是，每个沸点仪的温度计必须经过校正，减少温 度计带来的误差。 ２．３气相冷凝液收集槽的改造 气相的搜集在传统沸点仪中弊端较多，例如需要倾倒２～３ 次后才能搜集最终的冷凝液，气相袋的大小也影响实验结果，因 此不能过大，也不能过小。另外，气相的搜集非常不方便。为克 服这些不足，实验工作者对沸点仪进行了多个方面的改进。 向明礼等 改造的沸点仪如图１ａ所示：在气相冷凝液收集 槽上方，设计一个带磨口塞的漏斗。从该处，既可以在实验前加 入两组分混合物样品，也用以汲取气一液相达到平衡后的气相 则接近于理想溶液。其中，正丙醇一水等体系具有最低恒沸点， 几乎没有毒性，更符合绿色实验室的要求，同时该体系的挥发性 较弱，因此测得的折光率更准确。 ２实验装置的改进 经典的实验装置存在诸多不便和缺陷，例如加热方式简单、 平衡时间长、取样不方便、试剂消耗量大等，因此很多人对沸点 ￥基金项目：河南省教育科学“十一五”规划２００９年课题（２００９一ＪＫＧＨＡＧ一０３９８）。 作者简介：仝艳（１９７４一），女，研究方向：理论化学。Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｏｎｇｙａｎ１９７４＠ｇｍａｉｌ．ＣＯＩＴｔ ・１７Ｏ・ 广州化工 ２０１１年３９卷第５期 冷凝液。从此处汲取气相冷凝液比改进前用长取样管经冷凝管 汲取方便得多。此外还增加了一个带旋塞的毛细管排液口。在 每个样品的实验测试完成后，样品可以从此处直接流入样品回 收瓶。同时选用具有一定的化学惰性和在较大温度范围内不软 化的硅胶材料替代软木塞，很好地解决了长期困扰该实验的密 封问题。 需切断电源，但电阻丝易烧断，当电阻丝裸露时，可引起燃烧，因 此此种加热方式也逐渐被大多数实验工作者否定。利用磁搅拌 电热套 ９－ｌｏ｝可以有效防止液体暴沸，若电热套配以电子节能 控温仪，则更加节能方便 ，这也是比较目前比较流行的加热方 式。 刘树彬等 改进后沸点仪的结构见图１ｂ（电阻丝和温度计 略）。冷凝管与烧瓶瓶颈问夹角为４５。。冷凝管与烧瓶之间由 ３ ｃｌｎ长横管相连，横管下面有一向下呈乎缓凹面的气相冷凝液 储液槽，其上方为冷凝液取液孑Ｌ。改进后的沸点仪的储液槽浅 ３样品配置方法的改进 传统的配置溶液方法由学生自己逐个配置，用完就作为废 液倒掉，试剂消耗量惊人，十分可惜，目前高校普遍采用以下两 而平缓，便于有效更新，使平衡时储液槽中液体的组成与气相组 成相符，同时气相取液方便。从结果看，气相线明显更接近文献 报道。 图１ 几个改进后的沸点仪示意图［ Ｆｉｇ．１ Ｓｏｍｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｂｕｌｌｉｏｍｅｔｅｒｓ 丛欢 改进的沸点仪如图１Ｃ所示，在原收集冷凝液的小球 处接出一根带５４活塞的玻璃管与圆底烧瓶相通。当溶液被加 热并回流时，玻璃管活塞处于打开的位置，冷凝下沉的液滴可以 沿着玻璃管直接流回圆底烧瓶，形成流体的单向回路。当达到 热平衡后，将活塞关闭，使冷凝液收集在玻璃管中活塞的上方。 该法避免了反复倾倒气相冷凝液的操作。除此之外，该装置使 用两个温度计，因此可以很清楚的判断体系何时达到平衡。改 进后的装置可以减少实验耗时１／３，这对于学时不足的高校显得 非常珍贵。 ． 如图１ｄ所示，苏碧泉等 利用三口烧瓶代替沸点仪，其中 一口连接一个Ｕ形管，达到平衡前，管夹夹紧，达到平衡后，打开 管夹，搜集气相，然后拔下ｕ形管直接测定搜集液的折射率。该 方法仪器设备简单，而且气相的搜集巧妙，不需要气相取样管。 ２．４加热装置的改进 酒精灯是最经济的加热装置，但使用不当可烧掉冷凝水橡 皮管。而水浴加热 是比较安全的一种方法，适用于二组分沸 点较低的情况。内置电炉丝加热方式方便、迅速，停止加热时只 种新的方法来解决试剂消耗问题。 ３．１依次添加法… 以环己烷一乙醇体系为例，实验过程中，在沸点仪中加入 ２５ ｍＬ环己烷，逐次滴加另一组分乙醇，使其浓度逐渐增加。测 完之后倒出溶液，添加２５ ｍＬ乙醇溶液，逐次滴加另一组分环己 烷。整个实验大约需要溶液１００ ｍＬ，１０次实验需要ｌ Ｌ溶液。 该法和传统的配置方法相比较，无需占用大量试剂瓶，同时实验 桌面显得整洁，明显节约了大量试剂，但试剂仍有一定的消耗。 ３．２提前配置法 由实验员提前配置好不同浓度的一系列溶液，实验结束后 放回原瓶。如果用的时间比较长，可以通过添加不同组分改变 其浓度至正常值 。其调整方法可以根据刘生昆 和周益 明¨ 推导出的一个计算所需加入样品体积的简单计算公式进 行： 口一＝ （ｋｎｏ＋６）ｍｏ １一 Ｂ ｄ日 其中， 代表调整后的浓度， 表示原混合溶液的折光率， ｍ。表示原质量，ｄ 表示Ｂ组分的密度，ｋ，ｂ分别表示浓度、折光 率标准曲线的斜率和截距。 此种方法一次需要溶液２５０ ｍＬ，而１０次实验仍然是 ２５０ ｍＬ，没有废液产生。虽然每次调整浓度还需要补加一部分 试剂，但此种方法仍是最节省试剂的。 ４数据处理的改进 在计算机普及的今天，相图绘制中数据处理已经淘汰了坐 标纸手工绘制方法。可以利用Ｏｒｉｇｉｎ软件 和微软ＥＸＣＥＬ软 件” ，也可以用ＭＡＴＬＡＢ编程作图¨ 和ＡＵＴＯＣＡＤ作图 ，当 然也有一些具有编程经验的教师可自行设计作图软件，例如邱 东方等人用ｆｏｒｔｒａｎ语言编写的ＬＩＮＥＡＲＭＰ软件 以及裴锋等 编制的相图制作软件 州都能很方便的绘制二组分相图。向明礼 等通过研制基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作平台的防盗数据处理软件并应用 于实验教学，消除了根据混合物折光指数从“组成一折光指数” 工作曲线查找相应组成时存在的查找误差和因阿贝折光仪机械 漂移引起的误差 。 有了计算机，学生处理实验报告的工作量大大减少，而且得 到的相图也更接近理论值，学生有更多的时间去认真思考，而不 是浪费在繁琐的数据处理上。 ５ 结论 通过对近年来对各种二组分气液平衡相图实验改进的分 析，详细讨论了该实验从体系选择，加热方式，沸点仪的改造，样 品配置，数据处理等各个方面的改进情况。由于不同高校实验 要求、实验条件都不尽相同，所以没有一个能够适用于所有高校 （下转第１８０页） ・１８０・ 广州化工 ２０１１年３９卷第５期 鼓励学生运用计算机处理实验数据。为了防止学生相互抄袭， 进一步完善课程的设置和实验教学改革。 要求同一－／１＇组的学生选用不同的实验数据进行计算示例。针对 实验过程中遇到的一些反常现象，教师要引导学生积极思考，学 参考文献 会利用理论知识解释不正常的实验现象也是一种学习。学生在 傅延勋，徐铜文，杨伟华．理科化工基础实验教学目的和教学内容 实验报告中除了实验数据的计算示例外，重点需放在实验的分 探讨［Ｊ］．大学化学，２００８，２３（１）：８—１０． 析讨论上。例如，在离心泵的特性曲线测定实验中，由于水槽中 郭翠梨，张金利，程景耀，等．化工基础实验教学改革的实践［Ｊ］．化 的液面要比离心泵高，在小流量的实验过程中，离心泵的进口真 工高等教育，２０１Ｏ（３）：５９—６２． 空表读数变化很小。需要学生运用所学的知识来解释这一现 周锡唐，郑秋霞，邹纲明．化工原理实验教学中的几个问题［Ｊ］．化 象。 工高等教育，２００７（３）：４５—４７． 郑文芝，陈姚．关于化工基础实验教学模式的思考［Ｊ］．广东化工， ３ 结语 ２００７，３４（５）：１０７—１０８． 陈丽萍，陈其和，照日格图．在化工基础实验中实施探究式学习 本文就化工基础实验课的现状和存在的问题提出了自己的 ［Ｊ］．大学化学，２００８，２３（３）：２４—２７． 看法和解决方法。在实际教学过程中，教师的引导和学生的主 冯炜，胡彤宇，程景耀．化工基础实验学生报告改革方案［Ｊ］．化工 动性相互融合，才能帮助学生培养科学观察和分析归纳的能力。 高等教育，２００９（４）：６５—６８． 教师是课程教学过程的指挥家，如果教师的引导作用没有发挥 王洪海，李春利，方静，等．化工原理实验七步连环教学法［Ｊ］．化工 好，学生的积极性也就调动不起来。实验教学是一项细致又费 高等教育，２００８（２）：８５—９９． 心的工作，为了提高地方高等师范院校学生的工程能力，还需要 ；＿ｌｌ ］｛ ］ （上接第１７０页） 的实验装置以及实验步骤。通过比较该实验的改进工作，能对 ［１１］梅燕，马密霞．关于“完全互溶的双液系的气液平衡相图”实验的改 实验工作者在实验教学、编写教材以及课程改革、仪器购置等方 进［Ｊ］．邢台师范高专学报，１９９９，１４（４）：６８—７Ｏ． 面起到很好的借鉴作用。 ［１２］谭志安，施翔．双液系气液平衡相图实验中环己烷和异丙醇的回收 ［Ｊ］．泰州职业技术学院学报，２００１，ｌ（３）：１９—２０． 参考文献 ［１３］刘生昆，史振民，张祝莲．双液系气一液平衡相图绘制中有关问题 ［１］ 黄桂萍，肖红，尹波，等．双液体系气一液平衡相图测定方法的探讨 的探讨［Ｊ］．大学化学，１９９５，１０（５）：４１—４３． ［Ｊ］．赣南师范学院学报，２００６，１４（６）：８２—８４． ［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 ［２］ 王秀艳．双液系气——液平衡相图实验改进和数据微机处理［Ｊ］． 京师大学报：自然科学版，１９９７，２０（３）：３４—３６． 科技信息：学术研究，２００６（１２）：３３８—３３９． ［１５］闫宗兰，石军，尹立辉，等．Ｏｒｉｇｉｎ软件在“双液系气一液平衡相图” ［３］ 张祝莲，侯向阳．双液系气一液平衡相图体系的选择［Ｊ］．延安大学 实验数据处理中的应用［Ｊ］．天津农学院学报，２００７，１４（２）： ３Ｏ一３２． 学报：自然科学版，１９９８，１７（３）：９Ｏ一９２． ［４］ 周爱秋，李英，刘福祥，等．完全互溶双液系平衡相图实验装置的微 ［１６］吴志诚，李菊梅，柳平英，等．绘制挥发性双液系相图实验数据处理 型化［Ｊ］．实验室研究与探索，２００２，２１（１）：７９—８Ｏ． 方法的改进［Ｊ］．山东化工，２００８，３７（１１）：１２一ｌ３． ［５］ 向明礼，曾小平，滕奇志，等．“二元液系相图”实验的综合改革研究 ［１７］宣亚文，武文．互溶双液系气液平衡相图计算机绘制及其应用［Ｊ］． 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