雙液系氣液平衡相圖的繪制華南師范大學(xué)物化實(shí)驗(yàn)

1、雙液系氣-液平衡相圖的繪制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）用回流冷凝法測定沸點(diǎn)時氣相與液相的組成，繪制雙液系相圖。找出恒沸點(diǎn)混合物的組成及恒沸點(diǎn)的溫度。（2）掌握測定雙組分液體的沸點(diǎn)及正常沸點(diǎn)的測定方法。（3）了解阿貝折射計(jì)的構(gòu)造原理，熟悉掌握阿貝折射計(jì)的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理2.1液體的沸點(diǎn)液體的沸點(diǎn)是液體飽和蒸汽壓和外壓相等時的溫度，在外壓一定時，純液體的沸點(diǎn)有一個確定值。2.2雙液系的沸點(diǎn)雙液系的沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān)，而且還與兩種液體的相對含量有關(guān)。理想的二組分體系在全部濃度范圍內(nèi)符合拉烏爾定律。結(jié)構(gòu)相似、性質(zhì)相近的組分間可以形成近似的理想體系，這樣可以形成簡單的T-x（y）圖。大多數(shù)情況下，曲線將出現(xiàn)

2、或正或負(fù)的偏差。當(dāng)這一偏差足夠大時，在T-x（y）曲線上將出現(xiàn)極大點(diǎn)（負(fù)偏差）或極小點(diǎn)（正偏差）。這種最高和最低沸點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)，所對應(yīng)的溶液稱為恒沸混合物。恒定壓力下，真實(shí)的完全互溶雙液系的氣液平衡相圖（Tx），根據(jù)體系對拉烏爾定律的偏差情況，可分為3類：（1）一般偏差：混合物的沸點(diǎn)介于兩種純組分之間，如甲苯苯體系，如圖1(a)所示。（2）最大負(fù)偏差：存在一個最小蒸汽壓值，比兩個純液體的蒸汽壓都小，混合物存在著最高沸點(diǎn)，如鹽酸水體系，如圖1(b)所示。（3）最大正偏差：存在一個最大蒸汽壓值，比兩個純液體的蒸汽壓都大，混合物存在著最低沸點(diǎn)，如水-乙醇體系，如圖1(c)）所示。圖1. 二組分真實(shí)液

3、態(tài)混合物氣液平衡相圖（T-x圖）考慮綜合因素，實(shí)驗(yàn)選擇具有最低恒沸點(diǎn)的乙醇-乙酸乙酯雙液系。根據(jù)相平衡原理，對二組分體系，當(dāng)壓力恒定時，在氣液平衡兩相區(qū)，體系的自由度為1。若溫度一定時，則氣液亮相的組成也隨之而定。當(dāng)溶液組成一定時，根據(jù)杠桿原理，兩相的相對量也一定。反之，實(shí)驗(yàn)中利用回流的方法保持氣液兩相的相對量一定，則體系的溫度也隨之而定。2.3沸點(diǎn)測定儀沸點(diǎn)測定儀利用回流的方法保持氣液兩相相對量一定，測量體系溫度不發(fā)生改變時，即兩相平衡后，取出兩相的樣品，用阿貝折射計(jì)測定氣液平衡氣相、液相的折射率，再通過預(yù)先測定的折射率-組成工作曲線來確定平衡時氣相、液相的組成（即該溫度下氣液兩相平衡成分的

4、坐標(biāo)點(diǎn)）。改變體系總成分，再如上法找出另一對坐標(biāo)點(diǎn)。這樣得若干對坐標(biāo)點(diǎn)后，分別按氣相點(diǎn)和液相點(diǎn)連成氣相線和液相線，即得T-x平衡圖。三、實(shí)驗(yàn)步驟3.1乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率組成工作曲線的測繪3.1.1折射率-體積分?jǐn)?shù)工作曲線。對于乙醇-乙酸乙酯等部分有機(jī)液體混合體系，當(dāng)使用體積分?jǐn)?shù)（）表示時，能得到直線的工作曲線，故只要分別準(zhǔn)確測出25時純乙醇、乙酸乙酯的折射率，將其連成直線，就得到nD25 （%）工作曲線（n-V）。折射率-摩爾分?jǐn)?shù)工作曲線。在nD25 （%）線上取8個點(diǎn)，利用乙醇、乙酸乙酯的密度合量比（%）等條件將以上點(diǎn)對應(yīng)體積分?jǐn)?shù)換算成摩爾分?jǐn)?shù)，按對應(yīng)的折射率重新繪（nD25 x）點(diǎn)

5、，再將點(diǎn)連成平滑曲線，即為nD25 x工作曲線（n-x）。3.2沸點(diǎn)儀的安裝將沸點(diǎn)儀洗凈、烘干。檢查帶溫度計(jì)的軟木塞是否塞緊、電熱絲是否靠近容器底部的中心，溫度計(jì)的水銀球位置是否合適。3.3樣品的測定3.3.1溶液的配制粗略配制乙醇體積分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%組成的乙醇-乙酸乙酯溶液。3.3.2沸點(diǎn)的測定自側(cè)管假如索要測定的溶液（約20mL），其頁面應(yīng)在水銀球的中部。打開冷凝水，接上電源，用調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)電壓（約12V），將液體緩慢加熱使液體沸騰，最初在冷凝管下端內(nèi)的液體不能代表平衡氣相的組成，為加速達(dá)到平衡，可以等小槽中氣相冷凝液體收集滿后，調(diào)節(jié)冷凝

6、管的三通閥門，使冷凝液體流回圓底燒瓶，重復(fù)三次，直到溫度計(jì)上的讀數(shù)穩(wěn)定數(shù)分鐘，記錄溫度計(jì)的讀數(shù)，同時讀出環(huán)境的溫度；算出露莖溫度，以便進(jìn)行溫度校正，并讀出室內(nèi)大氣壓力。3.3.3取樣切斷電源，停止加熱，在冷凝管三通小槽處放置一個標(biāo)有相應(yīng)濃度記號的尾接小試管，并調(diào)節(jié)冷凝管的三通閥門，使冷凝液體不再流回至圓底燒瓶，而是流入尾接小試管中，并立即塞緊，防止其揮發(fā)；再用另一支干燥膠頭滴管，從側(cè)管處吸取容器中的溶液約12mL，轉(zhuǎn)移到另一個小試管，也立即塞緊，兩支小試管置于盛有冷水的小燒杯中保持待測，以防組分改變。在樣品的轉(zhuǎn)移過程中動作要迅速而仔細(xì)。并應(yīng)盡早測定樣品的折射率，不宜久藏。當(dāng)沸點(diǎn)儀內(nèi)液體冷卻后，

7、將該溶液自側(cè)管倒入到指定的回收瓶中，再換另一濃度的雙液體系溶液測定。3.3.4折射率的測定分別測定上面取的氣相和液相樣品的折射率。每次加樣要測讀兩次，若讀得的兩個數(shù)值很接近，則取其平均值。每次加樣前測量之前，必須先將折光儀的棱鏡面洗凈，方法是用數(shù)滴揮發(fā)性溶劑（如丙酮）淋洗，再用擦鏡紙輕輕擦去殘留在鏡面上的溶劑，阿貝折射計(jì)在使用完畢后也必須將鏡面處理干凈。3.3.5平衡氣相和液相組成的測定根據(jù)氣相折射率的數(shù)據(jù)，在工作曲線n-x上分別查出平衡氣相和液相的組成（x）。按上述步驟，本別測定乙醇和乙酸乙酯的沸點(diǎn)，以及各溶液的沸點(diǎn)和平衡時氣相和液相的組成。四、數(shù)據(jù)處理4.1溶液沸點(diǎn)的校正（1）由于溫度計(jì)的

8、水銀未全部浸入待測溫度的區(qū)域內(nèi)而需進(jìn)行露莖校正。t露莖=Kh（t觀-t環(huán)）式中，K=0.00016，是水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù)；h為露出于被測體系之外的水銀柱長度，稱露莖高度，以溫度差值表示；t觀為測量溫度計(jì)上的讀數(shù)；t環(huán)為環(huán)境溫度，可用輔助溫度計(jì)讀出，其水銀球置于測量溫度計(jì)露莖的中部。露莖校正后：t沸=t觀+t露莖。編號乙醇體積分?jǐn)?shù)/%h/t觀/t環(huán)/t露莖/t沸/110072.179.024.00.63 79.6329070.477.323.50.61 77.9137067.974.823.50.56 75.3645066.273.123.50.53 73.6353865.872.723.

9、50.52 73.2262265.872.723.50.52 73.2271566.273.123.80.52 73.6281067.374.223.50.55 74.759568.875.723.80.57 76.2710070.577.424.00.60 78.00表1.露莖校正數(shù)據(jù)記錄（2）溶液的沸點(diǎn)與大氣壓有關(guān)，應(yīng)用特魯頓規(guī)則及克勞修斯-克拉貝龍公式可得溶液沸點(diǎn)因大氣壓變動的近似校正公式。T=RT沸21×pP=T沸10×760-p760式中，T是沸點(diǎn)的壓力校正值；T沸是溶液的沸點(diǎn)（均用熱力學(xué)溫度表示）；p是測定時的大氣壓，mmHg（1mmHg=133.32Pa）。若

10、用攝氏溫標(biāo)，t壓表示沸點(diǎn)的壓力校正值，則t壓=t，由此，在1atm（1atm=101325Pa）下的溶液正常沸點(diǎn)為t正常=t沸+t壓編號乙醇體積分?jǐn)?shù)/%t沸/t沸/Kp/mmHgT/Kt正常/110079.63352.78773.25-0.6279.0129077.91351.06773.25-0.6177.3037075.36348.51773.25-0.6174.7545073.63346.78773.25-0.6073.0353873.22346.37773.25-0.6072.6262273.22346.37773.25-0.6072.6271573.62346.77773.25-0.

11、6073.0281074.75347.90773.25-0.6174.149576.27349.42773.25-0.6175.6610078.00351.15773.25-0.6177.39表2.沸點(diǎn)的壓力校正4.2乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率組成工作曲線的繪制室溫下，測得純乙醇的折射率為1.3621nD25，純乙酸乙酯的折射率為1.3728nD25。4.3折射率-摩爾分?jǐn)?shù)工作曲線在圖2的工作曲線上選取8個點(diǎn)，將對應(yīng)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)換算成摩爾分?jǐn)?shù)。使用公式為XB=V乙醇乙醇M乙醇V乙醇乙醇M乙醇+V乙酸乙酯乙酸乙酯M乙酸乙酯名稱密度/（g·mL-1）相對分子質(zhì)量M/(g·mol

12、-1)乙醇0.7850646.07乙酸乙酯0.9245488.12表3.乙醇和乙酸乙酯的相關(guān)參數(shù)取點(diǎn)編號折射率/nD25體積分?jǐn)?shù)/%摩爾分?jǐn)?shù)XB11.3632900.94 21.3642800.87 31.3653700.79 41.3664600.71 51.3675500.62 61.3685400.52 71.3696300.41 81.3707200.29 表4.繪制折射率-摩爾分?jǐn)?shù)工作曲線數(shù)據(jù)記錄4.4雙液系氣-液平衡相圖的繪制編號乙醇體積分?jǐn)?shù)/%沸點(diǎn)/液相折射率/nD25液相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)氣相折射率/nD25氣相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)110079.011.362011.36171290

13、77.301.36310.951.36460.8537074.751.36450.841.36680.6745073.031.36680.671.36800.5753872.621.36810.561.36900.4762272.621.37050.301.36960.4071573.021.37110.241.37050.3081074.141.37190.121.37100.259575.661.37250.041.37200.1110077.391.372701.37280表5.乙醇-乙酸乙酯混合液測定數(shù)據(jù) 根據(jù)平衡相圖，可得恒沸溫度：72.60。恒沸組成：乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)為0.418，乙

14、酸乙酯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.582.五、注意事項(xiàng)（1）電阻絲一定要被待測液體浸沒，否則電熱絲容易燒斷，而且通電加熱時可能會引起有機(jī)液體燃燒。（2）所加電壓不能太大，加熱絲上有小氣泡逸出即可。（2）先加溶液，再加熱。取樣時，先停止通電再取樣。（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，擦拭棱鏡需用擦鏡紙。（5）測定折射率時，動作要迅速，盡量避免樣品揮發(fā)損失，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。六、分析與討論6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論根據(jù)平衡相圖，可得恒沸溫度為72.60，乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)為0.418，乙酸乙酯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.582。查找文獻(xiàn)資料，查得乙

15、醇-乙酸乙酯混合溶液的恒沸溫度為56.9，乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0558，乙酸乙酯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.9442。本次的實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)參考值有很大的偏差。原因之一可能是由于實(shí)驗(yàn)室所提供的混合溶液不純，可能混有除乙醇和乙酸乙酯外的其他物質(zhì)。其次，本次實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)很多，每一次的測量均有可能引入誤差。折射率測定、溫度計(jì)讀數(shù)等實(shí)驗(yàn)操作最好由同一實(shí)驗(yàn)者負(fù)責(zé)，避免出現(xiàn)因個體操作差異而引入的誤差。燒瓶里面每更換一次溶液，為了避免引入水等其他雜質(zhì)，并沒有對其進(jìn)行清洗，而是考慮到乙醇和乙酸乙酯都是揮發(fā)性液體，則采取用熱風(fēng)烘干的方法。這方法原則上是可行的，但也難免有剩余的液體殘留在燒瓶壁。如果實(shí)驗(yàn)器材允許，最好準(zhǔn)備兩個燒瓶，交替使用，將前一個使用過的燒瓶徹底弄干后等下一次測量時備用。6.2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)分析在沸點(diǎn)儀側(cè)管取液相樣品的時候，由于側(cè)管孔徑很窄，膠頭滴管不能完全伸入，樣品加入量為20mL時勉強(qiáng)可以取得，因此實(shí)驗(yàn)時一般會加入超過25mL的樣品，以保證樣品的正常吸取。但是這一做法會導(dǎo)致試劑浪費(fèi)，最好的辦法應(yīng)該是配備