融入綠色環(huán)保理念下的物理化學(xué)實驗設(shè)計
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摘要：設(shè)計了融入綠色環(huán)保理念的綜合化學(xué)實驗———固體酒精的制備及燃燒熱的測定。該實驗首先將溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生的乙醇廢液制備成一系列不同乙醇含量的固體酒精，然后進(jìn)行燃燒熱的測定。實驗通過用固體酒精代替萘來測定燃燒熱，實現(xiàn)了廢物的再利用，強(qiáng)化了師生的綠色低碳理念和環(huán)境保護(hù)意識，調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性，提高了學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>
關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實驗；燃燒熱；固體酒精；綠色化學(xué)
綠色發(fā)展、低碳發(fā)展、循環(huán)發(fā)展是當(dāng)今時代的主題。在高校本科化學(xué)實驗的教學(xué)中，實驗所需試劑種類較多，消耗量較大，實驗室相當(dāng)于一個小型的環(huán)境污染源［1］，開設(shè)綠色化的實驗項目以減少環(huán)境污染成為本科化學(xué)實驗教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。為了提高物理化學(xué)實驗中綜合性和設(shè)計性實驗項目在課程中所占的比例，本文在綠色環(huán)保理念的基礎(chǔ)上，對原先的實驗內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)修改和調(diào)整，并增加了新的實驗內(nèi)容，設(shè)計了一個綜合性實驗，使物理化學(xué)實驗內(nèi)容與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和日常生活實際相結(jié)合，將趣味性、應(yīng)用性、綜合性融為一體，有助于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，增強(qiáng)動手能力。
1實驗項目的設(shè)計背景及意義
燃燒熱數(shù)據(jù)在判斷反應(yīng)過程的方向性、解決相平衡問題中是不可或缺的［2－4］，因而燃燒熱的測定一直是化學(xué)熱力學(xué)中的經(jīng)典實驗項目。實驗方法是先用標(biāo)準(zhǔn)物苯甲酸測出體系的等容熱容，然后根據(jù)待測物萘燃燒使體系溫度的升高值計算燃燒熱［5］。但實驗中采用的待測樣品萘［6］，易揮發(fā)、易升華并且具有特殊氣味，是一種對人體健康有害的物質(zhì)，也很容易擴(kuò)散到大氣中污染環(huán)境，不符合綠色化學(xué)的原則。因此，需要選取一種對環(huán)境和人體無害的物質(zhì)來代替萘，這種物質(zhì)最好符合以下3個條件：（1）該物質(zhì)是固態(tài)粉末，很容易壓制成片或者可以切成隨意形狀直接稱量相應(yīng)的質(zhì)量；（2）在合適的條件下能迅速完全燃燒；（3）最終產(chǎn)物為二氧化碳和水。溶液表面張力的測定是物理化學(xué)實驗開設(shè)的另一個重要項目，實驗內(nèi)容是用最大氣泡法測定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，實驗結(jié)束后把大量廢液收集起來放置，有一定的安全隱患，且廢液的處理既浪費(fèi)財力又浪費(fèi)資源。最好的辦法是實現(xiàn)乙醇廢液的循環(huán)利用，但乙醇液態(tài)使用時易揮發(fā)且具有刺激性，儲存也非常不方便、不安全，容易引起火災(zāi)或燒傷事故［7］。為了踐行綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的理念，綜合考慮上述兩個實驗項目，精心設(shè)計了基于綠色環(huán)保理念的綜合型實驗———固體酒精的制備及其燃燒熱的測定。該實驗首先將溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生的乙醇廢液按濃度進(jìn)行收集，然后用來制備固體酒精，制成的固體酒精當(dāng)作待測樣品用于燃燒熱的測定實驗。整個實驗過程對環(huán)境友好，不再使用有毒有害物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，最大程度地節(jié)約能源，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，符合綠色化學(xué)實驗的5個R原則［8－9］。
2實驗原理
固體酒精的制備方法很多［10－12］，這些方法的差別主要在于所用凝固劑不同，比如醋酸鈣、硝化纖維、高級脂肪酸、自行制備的高分子聚合物等。本文選用硬脂酸與氫氧化鈉反應(yīng)生成的硬脂酸鈉做凝固劑，反應(yīng)方程式為C17H35COOH＋NaOH＝C17H35COONa＋H2O（1）反應(yīng)生成的硬脂酸鈉是一個長碳鏈的極性分子，在室溫下不溶于乙醇溶液，而在較高的溫度下可以均勻地分散在溶液體系中，冷卻后形成凝膠體系，使酒精分子被束縛于相互連接的大分子之間，形成固體狀態(tài)的酒精。固體酒精是一種便攜、安全無毒、儲存方便、熱值高的新型燃料。燃燒熱是化學(xué)中的一個重要數(shù)據(jù)，是熱化學(xué)中的重要實驗手段。測定燃燒熱實驗原理很簡單，主要基于能量守恒定律，用氧彈式量熱計測定［13－15］。一定量的物質(zhì)在氧彈中完全燃燒時放出的等容熱為QV＝CV△T（2）式中CV為體系等容熱容，△T為體系的溫度升高值，QV為等容燃燒熱。首先稱取一定量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)———苯甲酸（已知苯甲酸和點火絲燃燒時的等容熱分別為26434．3J／g和6688J／g），在充有過量氧氣的氧彈內(nèi)完全燃燒，測定出溫度升高值△T，忽略引火棉線燃燒放出的熱量，根據(jù)（1）式標(biāo)定出體系的等容熱容CV。然后根據(jù)待測物質(zhì)在相近的條件下燃燒，使體系溫度的升高值來計算固體酒精的等容燃燒熱。用固體酒精中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對等容燃燒熱值作圖可得一條直線，利用外推法可以從圖中得到無水乙醇的等容燃燒熱Q′V。在室溫下乙醇的燃燒反應(yīng)方程式為C2H5OH（l）＋3O2（g）→2CO2（g）＋3H2O（3）在不做非膨脹功的封閉系統(tǒng)中，依據(jù)熱力學(xué)第一定律，可得到乙醇的摩爾燃燒焓計算公式為ΔcHm＝46．07Q′V＋∑νBRT（4）式中，R為氣體常數(shù)，T為溫度，νB為計量系數(shù)。將實驗計算值與理論值進(jìn)行比較。
3實驗儀器與試劑
實驗儀器：ZDHW－A9型高精度萬能全自動量熱儀，AR124CN型電子分析天平，81－2型磁力加熱攪拌器，壓片機(jī)，氧氣鋼瓶。實驗試劑：苯甲酸為分析純，氫氧化鈉、硬脂酸均為工業(yè)級，乙醇廢液（溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生）。
4實驗內(nèi)容
4．1固體酒精的制備
將溶液表面張力的測定實驗結(jié)束后產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)為30％、50％、70％、80％、90％的不同濃度的乙醇水溶液準(zhǔn)備好（每種濃度的乙醇溶液共25mL），將其分為等量的2份，一份與0．25g的氫氧化鈉混合，加熱溶解備用；另一份與1．63g硬脂酸混合，在三頸瓶中加熱至硬脂酸完全溶解；在攪拌情況下，將溶有氫氧化鈉的乙醇溶液滴加到硬脂酸溶液中，控制反應(yīng)溫度在60～70℃之間，約10min后將澄清透明的反應(yīng)液倒入燒杯，冷卻后即得固體酒精。
4．2固體酒精點火
從制備好的不同乙醇含量的固體酒精樣品中切下一定量放入鐵罐中，分別用打火機(jī)點燃，觀察固體酒精的燃燒情況。
4．3固體酒精燃燒熱的測定
首先用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸標(biāo)定體系的等容熱容CV。粗稱0．5g苯甲酸將其壓片，然后用分析天平準(zhǔn)確稱量苯甲酸壓片和點火絲的質(zhì)量；打開氧彈，將2個電極擦洗干凈，并將點火絲兩端緊密固定在2個電極上，在點火絲上系上一段棉線，把制成的樣品壓片放在棉線上面，擰緊氧彈蓋；打開氧氣鋼瓶，給氧彈充入氧氣2MPa；將氧彈放入全自動量熱儀中，并打開計算機(jī)中燃燒熱測試軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并進(jìn)行熱容的測定；取出氧彈，先用放氣閥放氣，放完氣后即可打開氧彈。然后測定固體酒精的燃燒熱。稱取約1g待測物固體酒精，重復(fù)上述實驗步驟，進(jìn)行發(fā)熱量測試。測量完畢軟件自動給出每克待測物的等容熱QV。
5結(jié)果與討論
（1）用硬脂酸鈉做凝固劑，通過兩步法制備固體酒精，具有操作簡單、原料易得、成本低、制備時間短等優(yōu)點，非常適合學(xué)生實驗。（2）將不同乙醇含量的固體酒精用火柴點燃進(jìn)行點火燃燒時，發(fā)現(xiàn)乙醇含量為30％的固體酒精幾乎不燃燒，可能是含水量太多導(dǎo)致；乙醇含量為50％的固體酒精有微弱火焰，瞬間流淌；乙醇含量為70％的固體酒精有明亮火焰，但流淌現(xiàn)象偏重；乙醇含量為80％、90％的固體酒精燃燒時間長且不流淌。實驗現(xiàn)象如圖（1）所示。為達(dá)到直觀的點燃效果，實驗時可選用其中乙醇含量為80％～90％的廢液。（3）按照4．3方法測試制備成的一系列不同乙醇含量的固體酒精發(fā)熱量，每個樣品測量3次求其平均值.將乙醇的體積分?jǐn)?shù)換算為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)后，用固體酒精中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，發(fā)熱量為縱坐標(biāo)作圖，圖中幾個點基本形成一條直線，并且隨著乙醇含量的增加燃燒放出的熱量增加，這與理論推測是相符的，因為制備過程中加入硬脂酸的量是固定的，而含水量對燃燒熱是沒有任何影響的；同時說明用硬脂酸作凝固劑制備的固體酒精很均勻，不同濃度的乙醇溶液是完全被包覆進(jìn)去的?？捎嬎愠鲆掖假|(zhì)量分?jǐn)?shù)為100％時對應(yīng)的Q′V＝－29021J／g，由公式（4）可以求得乙醇的摩爾燃燒焓約為1339．5kJ／mol，由乙醇的MSDS查得乙醇的燃燒焓為1365．5kJ／mol，相對誤差約為－1．9％，實驗值比理論值略微偏小，可能是實驗過程中乙醇容易揮發(fā)導(dǎo)致的。
6結(jié)語
固體酒精的制備及其燃燒熱的測定實驗涉及多個基礎(chǔ)理論知識和基本操作，如熱力學(xué)第一定律、固體酒精的制備、燃燒熱的測定等，實驗現(xiàn)象穩(wěn)定，重復(fù)性好。該實驗項目體現(xiàn)了多學(xué)科相互滲透與交叉，適合于為已經(jīng)具備無機(jī)化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、物理化學(xué)和儀器分析等相應(yīng)化學(xué)知識儲備的學(xué)生開設(shè)，有助于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。將溶液表面張力的測定實驗產(chǎn)生的乙醇廢液，通過變廢為寶得到了充分利用，實現(xiàn)了零污染排放；從綠色化學(xué)的角度，用固體酒精作待測物取代萘，實現(xiàn)了綠色低碳的實驗教學(xué)，同時使學(xué)生掌握了測定燃燒熱的實驗技術(shù)，了解氧彈式量熱計的結(jié)構(gòu)及使用方法。實驗中融入更加貼近日常生活實際的實驗內(nèi)容，增加了實驗的趣味性，激發(fā)了學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)興趣。
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作者:張紅 任淑霞 馬志廣 閏明濤 白國義 單位:河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心