融入綠色環(huán)保理念下的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文
摘要：設(shè)計(jì)了融入綠色環(huán)保理念的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)———固體酒精的制備及燃燒熱的測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)首先將溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)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(cè)定。實(shí)驗(yàn)通過(guò)用固體酒精代替萘來(lái)測(cè)定燃燒熱，實(shí)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(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，提高了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；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(shí)代的主題。在高校本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)所需試劑種類(lèi)較多，消耗量較大，實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)于一個(gè)小型的環(huán)境污染源［１］，開(kāi)設(shè)綠色化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以減少環(huán)境污染成為本科化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(duì)原先的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)修改和調(diào)整，并增加了新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，使物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和日常生活實(shí)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(shí)，增強(qiáng)動(dòng)手能力。
１實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)背景及意義
燃燒熱數(shù)據(jù)在判斷反應(yīng)過(guò)程的方向性、解決相平衡問(wèn)題中是不可或缺的［２－４］，因而燃燒熱的測(cè)定一直是化學(xué)熱力學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)方法是先用標(biāo)準(zhǔn)物苯甲酸測(cè)出體系的等容熱容，然后根據(jù)待測(cè)物萘燃燒使體系溫度的升高值計(jì)算燃燒熱［５］。但實(shí)驗(yàn)中采用的待測(cè)樣品萘［６］，易揮發(fā)、易升華并且具有特殊氣味，是一種對(duì)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(duì)環(huán)境和人體無(wú)害的物質(zhì)來(lái)代替萘，這種物質(zhì)最好符合以下３個(gè)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(chēng)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(cè)定是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的另一個(gè)重要項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是用最大氣泡法測(cè)定不同濃度乙醇水溶液的表面張力，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后把大量廢液收集起來(lái)放置，有一定的安全隱患，且廢液的處理既浪費(fèi)財(cái)力又浪費(fèi)資源。最好的辦法是實(shí)現(xiàn)乙醇廢液的循環(huán)利用，但乙醇液態(tài)使用時(shí)易揮發(fā)且具有刺激性，儲(chǔ)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(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，精心設(shè)計(jì)了基于綠色環(huán)保理念的綜合型實(shí)驗(yàn)———固體酒精的制備及其燃燒熱的測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)首先將溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的乙醇廢液按濃度進(jìn)行收集，然后用來(lái)制備固體酒精，制成的固體酒精當(dāng)作待測(cè)樣品用于燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)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(shí)驗(yàn)的５個(gè)Ｒ原則［８－９］。
２實(shí)驗(yàn)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(jí)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(gè)長(zhǎng)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(wú)毒、儲(chǔ)存方便、熱值高的新型燃料。燃燒熱是化學(xué)中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)，是熱化學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)手段。測(cè)定燃燒熱實(shí)驗(yàn)原理很簡(jiǎn)單，主要基于能量守恒定律，用氧彈式量熱計(jì)測(cè)定［１３－１５］。一定量的物質(zhì)在氧彈中完全燃燒時(shí)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(chēng)取一定量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)———苯甲酸（已知苯甲酸和點(diǎn)火絲燃燒時(shí)的等容熱分別為２６４３４．３Ｊ／ｇ和６６８８Ｊ／ｇ），在充有過(guò)量氧氣的氧彈內(nèi)完全燃燒，測(cè)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(cè)物質(zhì)在相近的條件下燃燒，使體系溫度的升高值來(lái)計(jì)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(duì)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(wú)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(jì)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(jì)量系數(shù)。將實(shí)驗(yàn)計(jì)算值與理論值進(jìn)行比較。
３實(shí)驗(yàn)儀器與試劑
實(shí)驗(yàn)儀器：ＺＤＨＷ－Ａ９型高精度萬(wàn)能全自動(dòng)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(shí)驗(yàn)試劑：苯甲酸為分析純，氫氧化鈉、硬脂酸均為工業(yè)級(jí)，乙醇廢液（溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生）。
４實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
�。矗惫腆w酒精的制備
將溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)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。
�。矗补腆w酒精點(diǎn)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(diǎn)燃，觀察固體酒精的燃燒情況。
４．３固體酒精燃燒熱的測(cè)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(chēng)０．５ｇ苯甲酸將其壓片，然后用分析天平準(zhǔn)確稱(chēng)量苯甲酸壓片和點(diǎn)火絲的質(zhì)量；打開(kāi)氧彈，將２個(gè)電極擦洗干凈，并將點(diǎn)火絲兩端緊密固定在２個(gè)電極上，在點(diǎn)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(kāi)氧氣鋼瓶，給氧彈充入氧氣２ＭＰａ；將氧彈放入全自動(dòng)量熱儀中，并打開(kāi)計(jì)算機(jī)中燃燒熱測(cè)試軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并進(jìn)行熱容的測(cè)定；取出氧彈，先用放氣閥放氣，放完氣后即可打開(kāi)氧彈。然后測(cè)定固體酒精的燃燒熱。稱(chēng)取約１ｇ待測(cè)物固體酒精，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)試。測(cè)量完畢軟件自動(dòng)給出每克待測(cè)物的等容熱ＱＶ。
５結(jié)果與討論
�。ǎ保┯糜仓徕c做凝固劑，通過(guò)兩步法制備固體酒精，具有操作簡(jiǎn)單、原料易得、成本低、制備時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，非常適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)。（２）將不同乙醇含量的固體酒精用火柴點(diǎn)燃進(jìn)行點(diǎn)火燃燒時(shí)，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(shí)間長(zhǎng)且不流淌。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖（１）所示。為達(dá)到直觀的點(diǎn)燃效果，實(shí)驗(yàn)時(shí)可選用其中乙醇含量為８０％～９０％的廢液。（３）按照４．３方法測(cè)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(gè)樣品測(cè)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(gè)點(diǎn)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(cè)是相符的，因?yàn)橹苽溥^(guò)程中加入硬脂酸的量是固定的，而含水量對(duì)燃燒熱是沒(méi)有任何影響的；同時(shí)說(shuō)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�(jì)算出乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１００％時(shí)對(duì)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(duì)誤差約為－１．９％，實(shí)驗(yàn)值比理論值略微偏小，可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中乙醇容易揮發(fā)導(dǎo)致的。
６結(jié)語(yǔ)
固體酒精的制備及其燃燒熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)基礎(chǔ)理論知識(shí)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(cè)定等，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定，重復(fù)性好。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(wú)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(shí)儲(chǔ)備的學(xué)生開(kāi)設(shè)，有助于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。將溶液表面張力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的乙醇廢液，通過(guò)變廢為寶得到了充分利用，實(shí)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(cè)物取代萘，實(shí)現(xiàn)了綠色低碳的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)使學(xué)生掌握了測(cè)定燃燒熱的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，了解氧彈式量熱計(jì)的結(jié)構(gòu)及使用方法。實(shí)驗(yàn)中融入更加貼近日常生活實(shí)際的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。
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