雙液系氣液平衡相圖的繪制實驗報告

1、.雙液系沸點-組成圖測繪實驗報告實驗時間：2015年4月15日學號：1120132970一、目的要求 1測定相應組成時的沸點并制作常壓下環(huán)已烷無水乙醇雙液系的平衡相圖。 2從沸點組成圖了解分餾原理。 3了解沸點的測定技術(shù)，掌握兩組分液體沸點的測定方法。 4掌握折光率與組成的關(guān)系及阿貝折光儀的測量原理和使用方法。二實驗原理1、由液態(tài)物質(zhì)混合而成的二組分系統(tǒng)稱為雙液系統(tǒng)。若兩液體能以任意比例互溶，稱其為完全互溶雙液系，若兩液體只能部分互溶，稱其為部分互溶雙液系。 一個完全互溶的二元體系，兩個純液體組分在所有組成范圍內(nèi)完全互溶。在定壓下，完全互溶的二元體系的沸點組成圖可分為三類，如圖C7.1所示。

2、a.溶液的沸點介于兩純組分沸點之間，如苯一甲苯體系； b.溶液有最低恒沸點，如環(huán)己烷-乙醇體系；c.溶液有最高恒沸點，如丙酮氯仿體系。 下面以a為例，簡單說明繪制沸點-組成圖的原理。加熱總組成為x1的溶液，體系的溫度上升，達液相線上1點時溶液開始沸騰，組成為x2的氣相開始生成，但氣相量很少，趨于0，x1、x2二點代表達到平衡時液、氣兩相組成。繼續(xù)加熱，氣相量逐漸增多，沸點繼續(xù)上升，氣、液二相組成分別在氣相線和液相線上變化，當達某溫度（如2點）并維持溫度不變時，則x3、x4為該溫度下液、氣兩相組成，氣相、液相的量之比按杠桿規(guī)則確定。從相律f = c - p +2可知：當外壓恒定時，在氣、液兩相共

3、存區(qū)域自由度等于1；當溫度一定時，則氣、液兩相的組成也就確定，總組成一定，由杠桿規(guī)則可知兩相的量之比也已確定。因此，在一定的實驗裝置中，全回流的加熱溶液，在總組成、總量不變時，當氣相的量與液相的量之比也不變時（達氣-液平衡），則體系的溫度也就恒定。分別取出氣、液兩相的樣品，分析其組成，得到該溫度下氣、液兩相平衡時各相的組成。改變?nèi)芤嚎偨M成，得到另一溫度下氣、液兩相平衡時各相的組成。測得溶液若干總組成下的氣液平衡溫度及氣、液相組成，分別將氣相點用線連接即為氣相線，將液相點用線連接即為液相線，得到沸點-組成圖。 氣相、液相的成份分析采用折光率法：折光率是物質(zhì)的一個特征數(shù)值，它與物質(zhì)的濃度及溫度有關(guān)

4、，因此在測量物質(zhì)的折光率時要求溫度恒定。溶液的濃度不同、組成不同，折光率也不同。因此可先配制一系列已知組成的溶液，繪出折光率-組成（n-x）的等溫線，方法是在定溫下測定已知各種組成（x）的折光率(n)，繪出n-x等溫線。對于未知組成的樣品，取出各相樣品后，迅速測出該溫度下的折光率(n)，便可以從n-x線查出其相應組成。2、阿貝折光儀的原理它的主要部分為兩塊直角棱鏡PI，PII，棱鏡PI的粗糙表面 與PII的光學平面鏡AD之間約有0.1到0.15mm的空隙，用于裝待測液體并使在PI、PII間鋪成一簿層。光線從反射鏡射入棱鏡PI后，由于 面是粗糙的毛玻璃而發(fā)生漫射，從各種角度透過縫隙的被測液體；進

5、入棱鏡PII中，由前所知，從各個方向進入棱鏡PII的光線均產(chǎn)生折射，而其折射角都落在臨界角rc之內(nèi)（因為棱鏡的折射率大于液體的折射率，因此人射角從 到 的全部光線都能通過棱鏡而發(fā)生折射）。具有臨界角rc的光線穿出棱鏡PII后射于目鏡上，此時若將目鏡的十字線調(diào)節(jié)到適當位置，則會見到目鏡上半明半暗。從幾何光學原理可以證明，縫隙中液體的折射率n液與rc間的關(guān)系為：n液=sinB ，B對一定的棱鏡為一常數(shù)，n棱鏡在定溫下也是個定值。所以液體的折射率n液是角rc的函數(shù)。由rc可計算液體折射率。折光儀上已經(jīng)把讀數(shù)rc換算成n液的值，可直接讀出n液的值。3、阿貝折光儀使用方法 （1）將棱鏡打開，用擦鏡紙將鏡

6、面拭潔后，在鏡面上滴少量待測液體，并使其鋪滿整個鏡面，關(guān)上棱鏡。（2）調(diào)節(jié)反射鏡使入射光線達到最強，然后轉(zhuǎn)動棱鏡使目鏡出現(xiàn)半明半暗，分界線位于十字線的交叉點，這時從放大鏡即可在標尺上讀出液體的折射率。（3）如出現(xiàn)彩色光帶，調(diào)節(jié)消色補償器，使彩色光帶消失，明暗界面清晰。（4）測完之后，打開棱鏡并用丙酮洗凈鏡面，也可用吸耳球吹干鏡面，實驗結(jié)束后，除必須使鏡面清潔外，尚需夾上兩層擦鏡紙才能扭緊兩棱鏡的閉合螺絲，以防鏡面受損。三儀器與試劑沸點儀 阿貝折射儀溫度計（數(shù)字式） 移液管恒溫槽 鏡頭紙 電熱套 橡皮塞 洗耳球 吸管錐形瓶（具塞） 量筒 環(huán)乙烷（A.R.） 無水乙醇（A.R.） 已知101.32

7、5kPa下，純環(huán)己烷的沸點為80.1，乙醇的沸點為78.4。25時，純環(huán)己烷的折光率為1.4264，乙醇的折光率為1.3593。四實驗步驟本實驗繪制環(huán)己烷-乙醇二元體系的沸點一組成圖。一般精確測定氣、液平衡溫度是相當困難的，因液相易發(fā)生過熱現(xiàn)象，氣相中又有冷凝過程。采用沸點儀是減少這些誤差的方法之一。沸點儀種類很多，如圖所示，是一支帶有回流冷凝管的長頸圓底燒瓶。冷凝管底部有一凹槽，用以收集氣相冷凝下來的樣品。液相樣品則通過燒瓶上的支管抽取。用電熱套加熱，用數(shù)字溫度計測溫。 實驗中改換不同組成的溶液的方法一般有三種：一種是使用10個磨口塞錐形瓶和1個沸點儀，首先配制組成大致平均分布的10種溶液，

8、存于磨口塞錐形瓶中，依次將每種溶液倒入沸點儀進行測量，然后全部倒出，再更換另一種溶液，使用過的溶液其他組同學還可以繼續(xù)使用，或繼續(xù)使用前對組成進行調(diào)整；第二種方法是使用10個沸點儀，首先配制組成大致平均分布的10種溶液，存于沸點儀中，分別安裝溫度計放入沸點儀中進行測量。沸點儀中的溶液被使用幾次后應對其組成進行調(diào)整；第三種方法是使用一個沸點儀，首先裝入某一純組分，然后逐步取出少許，添加另一組份。下面以第一種方法為例介紹其操作步驟。 1) 調(diào)節(jié)恒溫槽至20.0或25.0。熟悉折光儀的使用方法。在本實驗中，因為用折光儀測量的樣品是無水乙醇和環(huán)己烷，均易揮發(fā)，測量一種樣品后，用洗耳球?qū)y量棱鏡處留下的

9、液體吹干凈，而不須用其它溶劑去清洗。 2) 熟悉實驗裝置及加熱電源的使用方法。 3) 在10個干燥潔凈的具塞錐形瓶中分別配制不同組成的溶液，溶液組成比例如表1所示。4）在沸點儀中加入約30ml的第一組液體，放入沸石。裝好溫度計和電熱套。5) 確認冷卻水已通入沸點儀冷凝管中。 6) 沸點儀冷凝管上端口不能加塞子，因為要保證飽和蒸汽壓和大氣壓相等，此時的溫度才是沸點，如果加塞子，會導致沸點儀中壓力太大而炸裂，或者溶液汽化后會將塞子沖開，導致塞子掉落摔碎。燒瓶上端口和取樣支管口要塞緊塞子，防止漏氣。 7)將電熱套電源打開，調(diào)節(jié)加熱功率，開始加熱樣品。注意加熱速度不要太快，以免出現(xiàn)危險。沸點儀冷凝管中

10、的冷卻水要充足，不能讓蒸氣溢出。8) 注意觀察溫度變化及液體沸騰前后情況。當冷凝管下端凹槽內(nèi)餾液充滿后溢出，且溫度穩(wěn)定數(shù)分鐘不變時，記下溫度，即為沸點。停止加熱。將電熱套從沸點儀的下部移開。9）用一支比較長的吸管從冷凝管上端伸入凹槽取餾液，另一支吸管從燒瓶支管取母液樣品，立即分別進行折光率測定。 10) 將沸點儀內(nèi)液體用移液管取出，裝入原錐形瓶中，不得廢棄。11）將另一組成的液體加入沸點儀中。參照上面步驟進行操作，測定餾液和母液的折光率。更換樣品時，對溫度計探頭和沸點儀內(nèi)殘留的液體不需進行吹干處理，因為各種溶液的組分本來就是大概值，我們需要通過測定折光率來具體的判斷組分。 12) 同樣的方法，

11、測定其它組成溶液沸點、冷凝液和液相液體的折光率。五數(shù)據(jù)處理與分析阿貝折射儀溫度： 25.0 大氣壓： 100.17 kPa表1 環(huán)己烷乙醇混和液測定數(shù)據(jù)編號體積比沸點/氣相冷凝液分析液相分析環(huán)乙烷乙醇折光率組成折光率 組成1010076.91.359701.35970299174.9 1.37640.190 1.36090.015 3247671.8 1.38470.310 1.36270.036 4445665.3 1.39820.510 1.37850.215 5604064.1 1.40040.534 1.39340.424 6693161.7 1.40590.642 1.40580.6

12、407772362.6 1.40810.688 1.40990.718 8881268.9 1.41770.867 1.42270.986 997377.81.42220.9641.42310.97910100079.01.42970.9881,43010.994以組成為橫軸，沸點為縱軸，繪出氣相與液相的沸點組成(T-x)平衡相圖。由圖知：恒沸點為61.7，恒沸點組成為x環(huán)己烷/x環(huán)己烷+x乙醇= 0.641可能引起誤差的原因有一下幾點：1. 在轉(zhuǎn)移溶液時，由于環(huán)己烷和乙醇都是易揮發(fā)的液體，而且兩者的揮發(fā)程度不相等，容易造成一部分溶液配比不準確；2. 在利用數(shù)字式折光儀測定折射率時，由于人眼對

13、于敏感變化的交界線，識別不準、對于折光率值把握不準等一系列系統(tǒng)誤差，對于本次實驗的精確度和準確度有很大影響，誤差不可避免；3. 循環(huán)水溫度在實驗過程中稍有變動，在 24.925.1 之間變動，所以從圖像中讀出的組分數(shù)有偏差。4. 由于在沸騰前凹槽內(nèi)便開始積累液體，所以凹槽內(nèi)的液體與實際的氣相組成有區(qū)別。六注意事項1. 測定折光率時，動作要迅速，以避免樣品中易揮發(fā)組分損失，確保數(shù)據(jù)準確。在測定其氣相冷凝液和液相的折射率時要保持溫度一致。2. 注意一定要先加溶液，再加熱，取樣時，應注意切斷電熱套電源。避免沸點儀破裂，乙醇泄露，引起火災。3每次取樣量不宜過多，取樣管一定要干燥，不能留有上次的殘液，氣

14、相部分的樣品要取干凈。4阿貝折射儀的棱鏡不能用硬物觸及（如滴管），擦拭棱鏡需用擦鏡紙。5. 10個沸點儀中的液體都測完后，如果發(fā)現(xiàn)10個樣品的組成分布不均勻，不便作圖，可以改變某個沸點儀中液體組成，多測幾組樣品。 6. 冷凝管上端塞子必須打開，冷卻水量要夠，燒瓶上端及支管塞子要塞緊，以防止漏氣，否則兩相不易達平衡，使溫度不穩(wěn)定。 7. 溫度計探頭的位置應按照要求裝好，否則溫度指示不準。8. 一定要待溫度穩(wěn)定后即體系達氣、液平衡后才能取樣分析。七思考題(一) 本實驗過程中，如何判斷氣、液相是否已達平衡？ 答：當液體沸騰時及溫度不再變化穩(wěn)定時氣-液已達平衡態(tài)。(二) 本實驗體系中，恒沸組成的蒸氣壓比拉烏爾定律所預測的蒸氣壓大還是小？答：恒沸組成的蒸氣壓比拉烏爾定律所預測的蒸氣壓大。具有最低恒沸溫度，T-x 有負偏差，那么 p-x 有正偏差。所以恒沸組成的蒸氣壓比拉烏爾定律所預測的蒸氣壓大。(三) 收集氣相冷凝液的凹槽的大小對實驗結(jié)果有無影響？答：有影響。如果凹槽太小，則不易