融入綠色環(huán)保理念下的物理化學實驗設計

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摘要：設計了融入綠色環(huán)保理念的綜合化學實驗———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，強化了師生的綠色低碳理念和環(huán)境保護意識，調(diào)動了學生參與實驗的積極性，提高了學生的綜合實驗能力。

關鍵詞：物理化學實驗；燃燒熱；固體酒精；綠色化學

綠色發(fā)展、低碳發(fā)展、循環(huán)發(fā)展是當今時代的主題。在高校本科化學實驗的教學中，實驗所需試劑種類較多，消耗量較大，實驗室相當于一個小型的環(huán)境污染源［1］，開設綠色化的實驗項目以減少環(huán)境污染成為本科化學實驗教學發(fā)展的必然趨勢。為了提高物理化學實驗中綜合性和設計性實驗項目在課程中所占的比例，本文在綠色環(huán)保理念的基礎上，對原先的實驗內(nèi)容進行了相應修改和調(diào)整，并增加了新的實驗內(nèi)容，設計了一個綜合性實驗，使物理化學實驗內(nèi)容與現(xiàn)代科學技術和日常生活實際相結合，將趣味性、應用性、綜合性融為一體，有助于提高學生自主學習興趣和創(chuàng)新意識，增強動手能力。

1實驗項目的設計背景及意義

燃燒熱數(shù)據(jù)在判斷反應過程的方向性、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熱力學中的經(jīng)典實驗項目。實驗方法是先用標準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)，也很容易擴散到大氣中污染環(huán)境，不符合綠色化學的原則。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實驗開設的另一個重要項目，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財力又浪費資源。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行收集，然后用來制備固體酒精，制成的固體酒精當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)了綠色化學的理念，符合綠色化學實驗的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生成的硬脂酸鈉做凝固劑，反應方程式為C17H35COOH＋NaOH＝C17H35COONa＋H2O（1）反應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。燃燒熱是化學中的一個重要數(shù)據(jù)，是熱化學中的重要實驗手段。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。首先稱取一定量標準物質(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)量分數(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，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束后產(chǎn)生體積分數(shù)為30％、50％、70％、80％、90％的不同濃度的乙醇水溶液準備好（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，控制反應溫度在60～70℃之間，約10min后將澄清透明的反應液倒入燒杯，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

首先用標準物質(zhì)苯甲酸標定體系的等容熱容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，并打開計算機中燃燒熱測試軟件進行參數(shù)設定，并進行熱容的測定；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，重復上述實驗步驟，進行發(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，非常適合學生實驗。（2）將不同乙醇含量的固體酒精用火柴點燃進行點火燃燒時，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.將乙醇的體積分數(shù)換算為質(zhì)量百分數(shù)后，用固體酒精中乙醇的質(zhì)量分數(shù)為橫坐標，發(fā)熱量為縱坐標作圖，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去的。可計算出乙醇質(zhì)量分數(shù)為100％時對應的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)導致的。

6結語

固體酒精的制備及其燃燒熱的測定實驗涉及多個基礎理論知識和基本操作，如熱力學第一定律、固體酒精的制備、燃燒熱的測定等，實驗現(xiàn)象穩(wěn)定，重復性好。該實驗項目體現(xiàn)了多學科相互滲透與交叉，適合于為已經(jīng)具備無機化學、應用化學、物理化學和儀器分析等相應化學知識儲備的學生開設，有助于提高學生發(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，同時使學生掌握了測定燃燒熱的實驗技術，了解氧彈式量熱計的結構及使用方法。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)了學生對實驗的學習興趣。

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作者:張紅 任淑霞 馬志廣 閏明濤 白國義 單位:河北大學化學與環(huán)境科學學院 化學國家級實驗教學示范中心