基于經典實驗的教學改革模式探討
——以二元液系氣液平衡相圖實驗的改進為例

熊輝，吳映輝，吳貝娜，梅付名，龔躍法

華中科技大學化學與化工學院，武漢 430074

實驗教學是一流本科人才實踐能力及創新精神培養的一個重要支撐環節，培養具有環保觀念的創新拔尖人才也是大學實驗教學的重要任務。化學是以實驗為基礎的中心學科，也是我校生命、材料、航空、能源、光電、環境、醫學等工程學科的創新基礎；化學實驗教學也成為培養工科學生創新觀念的首要環節，同時也是以工科為主的綜合研究型大學一直關注的培養問題。通過化學實驗教學，可以實現應用拔尖人才的培養，拓展學生的學科視野，強化復合交叉創新體系；而且化學實驗能夠激發工科學生從化學的觀點和角度去思考挑戰問題，引導學生以實驗需求為導向開發新方法、新實驗的熱情和能力。基礎化學實驗“雙液系氣液平衡相圖”既是高校物理化學實驗教學環節必不可少的一個經典驗證性實驗[1,2]，也是化工單元操作實驗中相平衡原理的理論基礎[3,4]。但這個實驗存在基礎理論抽象難懂、操作過程復雜、試劑損耗量大、測量數據多及數據處理結果不理想等難題，因此化學基礎理論薄弱的工科學生在有限的4個學時內往往難以得到完整的實驗數據，80%學生無法在規定的4個學時完成整個實驗。而且實驗過程中也存在可操作性不強、沸點判斷不準確、實驗成功率低、實驗試劑需求量大等問題；這些實驗問題嚴重打擊了工科學生的實驗積極性，降低了實驗教學效果，直接影響了工科學生的培養質量。通過分析總結學生實驗存在的問題，結合多年的工科專業實驗教學經驗，對這一經典實驗進行了全面改進。從實驗體系的選擇、實驗裝置的改進、實驗溶液的配制以及實驗數據的測量等方面進行了綜合性探索，加強對工科學生應用創新思維能力的培養。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：沸點儀(自制)、WAY-2S型阿貝折射儀(上海光學儀器廠)、調壓變壓器(上海精益電氣有限公司，0.5kVA)、CS501型超級恒溫水浴(重慶試驗設備制造廠)、熱電阻溫度計、移液管、電吹風等。

試劑：環己烷、乙醇、正丙醇、丙酮(均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司)、去離子水(自制)。

1.2 實驗步驟

配制環己烷(正丙醇)摩爾分數分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的二相混合乙醇(水)體系。測定九種已配制溶液及其純樣品在20 °C恒溫下的折光率，提前繪制兩種體系摩爾含量折光率標準工作曲線。在沸點儀中加入待測溶液，溫度計浸沒于溶液液面下方約1.5 cm處，注意避免溫度計與加熱絲直接接觸，同時加入沸石防止液體加熱過程中暴沸；然后打開直管冷凝器的冷卻循環水，加熱待溶液沸騰穩定后，分別吸取液相和氣相冷凝液測定其折光率，同時記錄待測溶液沸點[5]。

1.3 實驗體系的選擇

實驗教學過程中為了讓學生深入理解氣液相平衡知識點，一般選擇具有最低恒沸點的二元液相體系。乙醇-環己烷或者異丙醇-環己烷體系是目前大部分高校采用的實驗體系，也有采用乙醇-乙酸乙酯和正丙醇-水體系的[6-8]。采用有機非水體系，在實驗操作過程中不加提醒的話學生常常容易使用蒸餾水進行清洗，而水的引入會使待測體系由雙液系變為三組分體系，帶來實驗的誤差。相對而言正丙醇-水體系毒性較低，也降低了有機試劑使用量和有機廢液排放量，更符合綠色環保要求；同時鑒于該體系的沸點較高，試劑揮發性較弱，因此取樣操作測量過程中帶來的誤差也會更小。圖1是學生實驗前繪制的水-正丙醇體系的折光率標準工作曲線，根據學生實驗數據(表1)繪制的水-正丙醇相圖(圖2)，體系達到氣液平衡時的正丙醇氣相組成(0.8826)和液相組成(0.8266)之間的誤差為6.7%；根據圖2的結果對比表2中的文獻值可以看出，實際測定的氣液平衡組成與文獻值0.712[9]誤差也比較大，達到16.1%。而且繪制的相圖結果也不對稱。

表2 二元恒沸體系沸點及組成

圖1 水體系正丙醇摩爾含量折光率標準工作曲線

圖2 傳統裝置繪制的水-正丙醇相圖

采用乙醇-環己烷體系進行二元液系相平衡實驗對照。相比水-正丙醇體系而言，從乙醇體系環己烷摩爾含量折光率標準工作曲線(圖3)可以看出，乙醇-環己烷兩相體系折光率差別更大；體系達到氣液平衡時的環己烷氣相組成(0.5347)和液相組成(0.5415)之間的誤差為1.3%，基本相同；根據表3的結果對比表1中的文獻值可以看出，實際測定的氣液平衡組成與文獻值0.555[10]誤差也比較小，只有2.4%，遠遠低于水-正丙醇體系16.1%的誤差。根據學生實驗測量數據(表3)繪制得到乙醇-環己烷體系相圖(圖4)，相對水-正丙醇體系而言，乙醇-環己烷體系的相圖結果更加完美對稱。

圖4 傳統裝置繪制的環己烷-乙醇相圖

表3 傳統裝置測定環己烷-乙醇體系沸點及折光率數據

圖3 乙醇體系環己烷摩爾含量折光率標準工作曲線

表1 傳統裝置測定水-正丙醇體系沸點及折光率數據

1.4 實驗加熱裝置的改進

傳統的二元液系相平衡實驗測定裝置存在諸多不足，例如加熱方式不合理、取樣過程不便捷、沸騰平衡時間長、試劑取用消耗量大等問題[11]，我們期望訓練工科學生從他們的角度對沸點儀進行合理的改進，達到更方便、更實用和更安全的目的。

其中加熱形式的選擇是關鍵。水浴間接加熱[12]是比較安全的一種方法，但是只適用于兩相體系沸點不高的情況，而且加熱過程明顯滯后。使用電熱套加熱[13]溶液能夠快速沸騰，沒有明顯滯后，但是這種加熱方式也有缺陷：加熱不均勻，平衡過程長，沸點不易穩定讀取[14]。在溶液體系中內置電熱絲進行加熱方便快捷，沒有滯后，但在實驗操作過程中往往因學生對實驗步驟不熟悉，又想加快實驗進程，易導致加熱電壓過高，或者加熱絲熔斷，極易發生安全事故。這些問題的提出是對工科學生的實驗應用創新能力的考驗，讓工科學生基于物理原理通過工程技術手段來改善經典化學實驗的現狀；基于以上考慮，我們提出設計理念，讓工科學生結合實驗目的自制了低壓恒流智能加熱電源，其加熱電流不超過加熱絲的額定安全電流(2 A)，并且加熱電壓控制在15-20 V范圍手動調節，避免了學生在實驗過程中操作不當帶來的安全隱患。同時加熱電源內嵌labview軟件編輯的溫度監控程序，實時對比測溫單元的反饋，當溶液溫度沒有明顯上升(升溫幅度小于0.1 °C·min-1)或者溶液溫度超過純溶劑的最高沸點時，程序自動切斷電源停止加熱，進一步杜絕了安全隱患。

圖5是我們實驗中自行研制的低壓恒流智能加熱控制器，兩塊顯示屏分別顯示溶液溫度和加熱電壓。測溫探頭連接的是測量精度達到0.01 °C的熱電阻溫度計，通過插入待測溶液中實時顯示實驗溫度變化。控制器的加熱接口與溶液中的電加熱棒相連，通過控制器中間的旋鈕調節加熱電壓，顯示精度0.01 V。通過這些改進既在實驗教學過程中體現了學科交叉的重要性，又在工科學生應用能力的培養上佐證了創新性的不可或缺。圖6是我們的實驗裝置改進示意圖。

圖5 低壓恒流智能加熱控制器

圖6 實驗裝置改進示意圖

1.5 待測溶液配制測量過程的改進

通常條件下待測溶液是由學生自己逐一配制，用完后的混合試劑只能作為廢液處理。如果實驗教學過程中不采取有效措施控制的話，學生使用試劑消耗量將是巨大的。目前普遍采用以下兩種方式來解決上述問題。

1.5.1 依次添加法

在沸點儀中首先提前加入25 mL環己烷，然后依次滴加另一組分乙醇于沸點儀中，使其濃度逐步增加。測完一組之后倒出溶液，烘干沸點儀接著重新添加25 mL乙醇，再逐步滴加另一組分環己烷[15]。整個實驗過程大約需要100 mL有機試劑，10次實驗會產生1 L廢液。這種方法不需準備大量的試劑瓶，實驗過程便捷，實驗環境整潔，但試劑的消耗和廢液產生不可避免，實驗重復配制過程漫長，而且溶液濃度逐步平均增加，最后繪制的相圖實驗數據分布不合理。

1.5.2 提前配制法

由實驗技術人員事先配制好一系列濃度的待測溶液，每個濃度測定完成后倒回原瓶。由于試劑配制使用的時間比較長，溶液存在揮發損耗，需不定期通過添加相應純品調整溶液濃度[16]。這種方法的好處：雖然單次實驗使用溶液較多250 mL，但是10次實驗仍然只消耗250 mL，幾乎沒有試劑損耗，實驗產生的廢液量也最小。因為每次實驗結束后只需檢查一系列溶液的濃度，補充部分消耗，是最節省試劑的方法。缺點在于實驗桌面試劑較多，學生使用容易污染試劑，甚至混用不同濃度不同批次試劑，溶液濃度有誤差，導致測定的實驗結果出現誤差。

1.5.3 改進后的溶液配制方法

我們綜合以上兩種方法優點，提出以下溶液配制過程的改進。首先準確量取環己烷20.0 mL，測定其沸點后，通過事先計算的結果往其中補充一定體積的乙醇，逐步調整升高其中乙醇的濃度，連續進行測定。具體操作如下：

(1)一組學生往20.0 mL環己烷中移取滴加0.5 mL乙醇，在溶液沸騰后記錄氣液平衡時沸點，停止加熱后分別快速吸取液相和氣相冷凝液測定其折光率。繼續往前述溶液中補加1.0、1.5、2.0、4.0 mL乙醇，重復以上步驟。

(2)另外一組學生往20.0 mL乙醇中移取滴加1.5 mL環己烷，加熱記錄其沸點并快速吸取液相和氣相冷凝液分別測定其折光率。再繼續補加環己烷2.5、3.0、5.0 mL，重復以上步驟。

(3)根據前兩組學生測定的環己烷和乙醇混合溶液氣液相冷凝液折光率數據，在標準工作曲線上查出對應的環己烷摩爾分數，見表2；兩組同學在同一時間分別進行不同溶液濃度的沸點測定，最后數據合并處理成一張完整的相圖，見圖4。這樣不但實驗數據分布合理，繪制相圖的數據點分布均勻；而且每次實驗所需的試劑量減少一半，實驗時間也縮短一半；學生避免了枯燥重復的實驗過程，加強了實驗人員的分工協調，培養了學生的合作交流能力。

1.6 測量方法的改進

根據工科專業學生的建議，采用熱電阻溫度計代替傳統的熱電偶溫度計，實驗測量的精度提高，溫度計使用壽命延長，學生讀數的誤差減少。通過工科專業學生的不斷實踐改進，新裝置集成了高精度數字溫度計和數顯低壓智能電源，代替傳統舊裝置的測溫元件和調壓變壓器系統，用較低成本實現了實驗裝置的智慧化升級，加強了實驗安全性，提高了實驗成功率，降低了實驗操作誤差。通過傳統舊裝置和改進新裝置的原始實驗數據對比(表3和表4)，表明新舊裝置測量的實驗結果雖然比較接近，但是新裝置測量體系達到氣液平衡時的環己烷氣相組成(0.5534)和液相組成(0.5449)與表2中的文獻值0.555[10]誤差更小，分別為0.3%和1.8%，同時新裝置的溫度測量精度提高一個數量級。圖7是根據新裝置測定實驗數據繪制的環己烷-乙醇相圖，也表明新裝置的測定結果接近理想狀態。

圖7 改進新裝置繪制的環己烷-乙醇相圖

表4 改進新裝置測定環己烷-乙醇體系沸點及折光率數據

2 結語

從實驗體系、實驗裝置、試劑配制、數據測量等方面探討了雙液系氣液平衡相圖實驗的綜合改進措施。我們聯合工科專業實驗學生創新研制的智能加熱控制器，大大降低了沸點儀中電加熱絲的損壞率和實驗安全隱患，用較低成本實現了實驗裝置的智能化升級換代；試劑配制方式的改進顯著降低了實驗操作重復性，減少了有機試劑消耗量，提高了相圖的理想狀態。在工科專業的基礎化學實驗教學過程中，我們對比了傳統方法和改進方法的實驗教學效果，實踐表明改進的措施提高了實驗重現性和準確性，改善了化學實驗安全環境，降低了實驗操作誤差。基于經典實驗的創新教學模式，對培養學生綜合素質及提高學生交叉創新能力具有引導作用。雙液系氣液平衡相圖實驗的改進思路拓展了本科基礎實驗傳統單一思維模式，改善了相圖實驗條件，體現了經濟環保理念；通過化學專業和其他工科專業共同探討實驗方法及內容改進的探索實踐，進一步提高了基礎化學實驗吸引力，培養了工科學生綜合創新潛力。同時這一改進措施也讓我校醫學院及生命、材料等工程學科沒有提前學習相應化學知識的工科學生，在化學實驗能力不強的條件下能夠取得良好的實驗效果，達到實驗教學與應用實踐相輔相成的目標。