沸点升高法测化合物相对分子量实验的改进_熊辉.pdf

Univ.Chem.2023,38(1),169173 169 收稿：2022-01-16；录用：2022-03-21；网络发表：2022-04-02*通讯作者，Email: 基金资助：华中科技大学教学研究项目(2019028)；湖北高校省级教学研究项目(2018078)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202201025 沸点升高法测化合物相对分子量实验的改进沸点升高法测化合物相对分子量实验的改进熊辉*，吴贝娜，范子鑫，郑子豪，静恩哲，莫婉玲，龚跃法 华中科技大学化学与化工学院，武汉 430074 摘要：摘要：物理化学手段测化合物分子量是基础化学实验中的经典实验方法，也是本科生化学实验中重要的一项训练。现有的测量方法存在实验体系不环保、实验误差大、操作步骤难以控制且实验时间长等缺陷。基于实验的绿色化理念以及“两性一度”的教学要求，对现有沸点升高法测分子量的实验方法进行探索：以异丙醇代替环己烷(丙酮)作为溶剂、苯甲酸代替萘作为溶质，采用水浴与电热棒双重加热的方式，配置数字千分温度计提高测量精度。改进后实验试剂绿色环保、设备操作简单、装置抗干扰能力强、方法重现性好且测量误差减小。立足基础，落实高阶，重视挑战，加强了学生对稀溶液依数性的理解，培养了他们实践创新的思维。关键词：关键词：沸点升高法；分子量测定；实验改进；异丙醇；苯甲酸 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Improvement in the Measurement Method for the Relative Molecular Weight of Compounds Based on Boiling Point Elevation Hui Xiong*,Beina Wu,Zixin Fan,Zihao Zheng,Enzhe Jing,Wanling Mo,Yuefa Gong School of Chemistry and Chemical Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China.Abstract:The physicochemical method is a classic experimental method in basic chemistry and also an important component of experimental training in undergraduate chemistry courses.However,existing measurement methods exhibit some drawbacks in terms of a lack of environmental protection of the experimental system,introduction of experimental errors,difficulty with controlling the operation steps,and a long experimental time.Based on green chemistry experiments and advanced,innovative,and challenging teaching requirements,the existing boiling point elevation method for measuring the molecular weight of compounds was explored.In the experiment,isopropanol instead of cyclohexane(acetone)was used as the solvent,benzoic acid instead of naphthalene was used as the solute,a water bath and electric heating rod were used for double heating,and a digital micrometer thermometer was affixed to the apparatus to improve the measurement accuracy.With these experimental improvements,the reagent was green,equipment was easy to operate,anti-interference ability of the device was strong,experimental reproducibility was good,and measurement error was reduced.Based on the foundation,the implementation of high-level,attach importance to challenges,the students understanding of the number dependence of dilute solution is strengthened,and their practical and innovative thinking is cultivated.Key Words:Boiling point elevation method;Determination of molecular weight;Experimental improvement;Isopropanol;Benzoic acid 170 大 学 化 学 Vol.38 1 引言引言 物理化学实验是化学相关专业本科生的一门必修课程，其中用物理化学方法对化合物相对分子量的测定是展开对该化合物研究的一个重要手段，迄今为止已经探索出了许多测定化合物相对分子量的方法，本科生实验中常用到的有沸点升高法1、凝固点降低法2、膜渗透压法、气相渗透法3和测大分子量的粘度法4等。现行的基础物理化学实验中，利用稀溶液的依数性测定分子量多采用凝固点降低法，因为凝固点降低常数大，但是设备相对复杂，学生操作误差比较大。沸点升高法测化合物相对分子量的文献相对较少，而且几乎都是丙酮(溶剂)-苯甲酸(溶质)系统，用萘作为标准物质。实验条件容易达到要求，实验操作流程相对简单5,6，因此大学将此作为测定化合物相对分子量的本科物理化学实验，有的学校还把它作为设计性实验内容与凝固点降低实验进行对比，提升实验教学效果。但目前的沸点升高法测化合物分子量实验中还存在一些缺陷：如采用丙酮、环己烷、萘等环境不友好的试剂，在实验过程中存在较大的污染问题，且这些试剂的采购回收困难。此外，现有实验操作复杂、误差来源多、准确度不高、实验重现性不好，导致实验处理结果与理论相差甚远，实验与理论脱节，没有达到理想的实验教学效果，也打击了学生对物理化学实验的热情。基于“两性一度”的教学要求，探索环保实验系统，构建合理实验操作流程，降低实验测量误差，对提升实验层次水平和学生挑战创新能力具有重要意义。根据相关实验文献710，提出对现有实验系统及实验装置的改进方案：采用异丙醇-苯甲酸作为实验系统，符合绿色化学的理念；加热装置改为水浴与电热棒双重加热，既缩短了实验时间也减少了外界环境波动对实验体系的干扰，提高了实验的稳定性与重现性；使用三颈烧瓶代替原有装置的单口烧瓶，增加了电热棒与温度探头的距离，减小了前者对后者的干扰，同时采用千分温度计代替普通热电偶，提高了实验温度的测量精度。2 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 溶质的溶解是一个物理化学过程。溶解的结果则是导致溶质和溶剂的某些性质发生了变化，这些性质变化(即溶液性质)一般可以分为两类：一类是由溶质的本性决定的，如密度、颜色、导电性、酸碱性等，因为溶质的这些性质与溶剂不同，所以加入溶质溶解后使得溶液的相关性质发生了改变；而另一类性质是由溶质粒子数目的多少决定的，如形成溶液后出现的蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降和产生渗透压等现象，尤其是在非电解质稀溶液中的这些性质与溶质的本性完全无关，而只与溶质粒子数目有关，称为溶液的“依数性”11。溶液的沸点高于纯溶剂沸点的现象被称为沸点升高现象12。溶液的沸点升高数值Tb等于溶液沸点Tb与纯溶剂沸点Tb*的差：Tb=Tb Tb*之所以会出现溶液的沸点高于纯溶剂沸点的现象，是因为加入少量难挥发的非电解质形成新溶液后，新溶液单位时间内挥发的分子数变少，导致其蒸气压下降，破坏了体系原本与外界蒸气压相等的状态，故新溶液的温度到达原本纯溶剂的沸点时，体系蒸气压比外界气压低，不满足沸腾的条件。想要溶液重新满足沸腾的条件，就必须提高溶液的蒸气压，使之与外界压力相等，而蒸气压的产生又来源自溶液分子挥发的热运动，想要蒸气压增大，就必须提高体系的温度，所以溶液沸腾的温度高于纯溶剂沸腾时的温度，也就是为什么溶液的沸点总是要比纯溶剂的沸点高的原因13。由于溶液的沸点升高的根本原因是溶液的蒸气压下降，而导致蒸气压下降的原因是添加了难挥发的非电解质，所以添加的溶质越多蒸气压下降得越厉害，反映为沸点升高得越多。溶液蒸气压下降引起的相关变化，对于难挥发非电解质的稀溶液，存在着蒸气压下降多少和溶液的质量摩尔浓度b(B)成正比的关系，对应的这类溶液的Tb也应和b(B)有正比的关系。类似地，拉乌尔(Raoult)根据依数性指出：难挥发非电解质稀溶液的沸点升高也近似地与溶质B的质量摩尔浓度成正比，即：No.1 doi:10.3866/PKU.DXHX202201025 171 Tb=Kb*b(B)式中Kb称为沸点升高常数(boiling point constant)，单位为Kkgmol1或Ckgmol1，这个数值只取决于溶剂，而与溶质无关。沸点升高常数计算公式：Kb=RMA(Tb*)2/vapHm,A 式中vapHm,A是纯溶剂的摩尔汽化热，R为摩尔气体常量，MA为溶剂A的摩尔质量，Tb*为纯溶剂沸点14。沸点升高法测定化合物分子量：加入难挥发的溶质到原有的溶剂中后，因为溶质的难挥发性使得单位时间内挥发分子数目下降，进而导致了溶液的蒸气压下降，使得溶液沸腾时所需要达到的温度比纯溶剂要高，沸腾温度的改变值正比于溶液中溶质分子的数目。计算公式为：Tb=Kb*b(B)=Kb*mB/(mA*MB)变换得：MB=Kb*mB/(mA*Tb)2.2 实验试剂实验试剂 环己烷，萘，异丙醇，苯甲酸(以上试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司)。2.3 实验仪器实验仪器 沸点测定实验装置(南京南大万和科技有限公司，FNTY-3A型，见图1)，恒温水浴锅(巩义市予华仪器有限公司，DF-101S型)，数字式千分温度计(南京南大万和科技有限公司，NTY-10A型)，分析天平(常熟市百灵天平仪器有限公司，LA204型)，100 mL三颈烧瓶1个，10 mL、20 mL移液管，球型冷凝管1个，50 mL烧杯2个。A 原实验装置图 B 改进后的实验装置图 图图1 实验装置改进前后对比图 实验装置改进前后对比图 2.4 实验步骤实验步骤(1)插上沸点测定实验装置电源，打开恒温水浴锅，设置其温度为85 C，磁力搅拌调为中等转速，盖上盖子打开水浴加热开关。将干燥的烧杯置于分析天平上，去皮，准确称取46.000 g异丙醇，在干燥洁净的三颈烧瓶中放入磁子，然后倒入称量好的异丙醇。千分温度计感温探头和电加热棒先用异丙醇润洗干燥后分别插入三颈烧瓶左右两边口，球形冷凝管连接三颈烧瓶中间口，通循环水。(2)将组装好的三颈烧瓶放入恒温水浴槽中，调整三颈烧瓶高度，使三颈烧瓶底部置于水浴锅内，其内液面要略高于水浴锅外液面，以防止烧瓶内空气被加热(实验装置如图2)。调节沸点测定仪电流为1.01.4 A，开始加热。当千分温度计示数接近沸点时适当将电流调小，观察千