04雙液系的氣液平衡相圖的繪制

1、實驗四 雙液系的氣-液平衡相圖的繪制一、目的要求1.用沸點儀測定大氣壓下乙醇環(huán)己烷或異丙醇-環(huán)己烷雙液系氣-液平衡時氣相與液相組成及平衡溫度，繪制溫度組成圖，確定恒沸混合物的組成及恒沸點的溫度。2.了解物化實驗中光學方法的基本原理，學會阿貝折光儀的使用。3.進一步理解分餾原理。二、預習要求1.理解分餾原理，了解影響雙液系氣-液平衡的因素。2.熟悉阿貝折光儀的使用方法，了解折射率與物系組成的關(guān)系。3.掌握如何由實驗數(shù)據(jù)繪制相圖的方法。三、實驗原理兩種在常溫時為液態(tài)的物質(zhì)混合起來而組成的二組分體系稱為雙液系。兩種液體若能按任意比例互相溶解，稱為完全互溶的雙液系；若只能在一定比例范圍內(nèi)互相溶解，則稱

2、部分互雙液系。雙液系的氣液平衡相圖圖可分為三類。如圖4.1。圖 4.1 二元系統(tǒng)圖 這些圖的縱軸是溫度(沸點)，橫軸是代表液體B的摩爾分數(shù)。在圖中有兩條曲線：上面的曲線是氣相線，表示在不同溶液的沸點時與溶液成平衡時的氣相組成，下面的曲線表示液相線，代表平衡時液相的組成。 例如圖4.1(a)中對應于溫度t1的氣相點為y1，液相點為，這時的氣相組成y1點的橫軸讀數(shù)是，液相組成點點的橫軸讀數(shù)為。如果在恒壓下將溶液蒸餾，當氣液兩相達平衡時，記下此時的沸點，并分別測定氣相(餾出物)與液相(蒸餾液)的組成，就能繪出此圖。圖4.1(b)上有個最低點，圖4.1(c)上有個最高點，這些點稱為恒沸點，其相應的溶液

3、稱為恒沸混合物，在此點蒸餾所得氣相與液相組成相同。四、儀器和藥品 1.儀器玻璃沸點儀一套；阿貝折光儀一臺；WLS系列可調(diào)式恒流電源一臺；SWJ型精密數(shù)字溫度計一臺；SYC超級恒溫槽一臺。2.藥品無水乙醇（AR）或異丙醇（AR）；環(huán)己烷（AR）。五、實驗步驟1.按圖4.2連好沸點儀，數(shù)字貝克曼溫度計,感溫桿勿與電熱絲相碰。2.接通冷凝水，用超級恒溫槽完成冷凝循環(huán)。量取35ml異丙醇從側(cè)管加入蒸餾瓶內(nèi)，并使傳感器浸入溶液3cm左右。將加熱絲接通恒流電源，將電流調(diào)定1.1A，使電熱絲將液體加熱至緩慢沸騰，待溫度基本恒定后，再連同支架一起傾斜蒸餾瓶，使小槽中氣相冷凝液傾回蒸餾瓶內(nèi)，重復三次（加熱時間不

4、宜太長，以免物質(zhì)揮發(fā)），記下乙醇的沸點及環(huán)境氣壓。圖4.2 實驗裝置3.依次再加入2、3、6、12ml環(huán)已烷，同上法測定溶液的沸點和吸取氣、液相并測其折射率。4.將溶液倒入回收瓶，用吹風機吹干蒸餾瓶。5.從側(cè)管加入35ml環(huán)已烷，測其沸點。6.依次加入0.3、0.8、1.2、1.6、2ml異丙醇，按上法測其沸點和吸取氣、液相并測其折射率。7.關(guān)閉儀器和冷凝水，將溶液倒入回收瓶。8.用阿貝折光儀測定不同組成標準溶液以及純異丙醇、純環(huán)己烷的折射率。六、實驗注意事項1.沸點儀中沒有裝入溶液之前絕對不能通電加熱，如果沒有溶液，通電加熱絲時，沸點儀會炸裂。2.一定要在停止通電加熱之后，方可取樣進行分析。

5、3.使用阿貝折光儀時，棱鏡上不能觸及硬物(滴管)，要用專用擦鏡紙擦鏡面。七、實驗數(shù)據(jù)及處理1.將標準溶液的體積百分數(shù)按式(4-1)換算成重量百分數(shù)，然后以重量百分數(shù)對折射率作圖。 （4-1）式中V1、d1分別代表乙醇的體積及比重。乙醇的比重在20為0.7893；V2、d2分別代表環(huán)己烷的體積及比重，環(huán)己烷的比重在20時為0.7791。2.沸點校正。由于溫度計的水銀柱未全部浸入待測溫度的區(qū)域內(nèi)而須進行露莖校正，校正公式如下： （4-2） （4-3）式中K0.00016，n為露出被測體系之外的水銀柱長度，為測量溫度計上的讀數(shù)，為環(huán)境溫度，為校正后的溫度。 3.將由工作曲線查得的氣-液二相的平衡組成

6、及校正后的沸點列表并繪制乙醇環(huán)己烷或異丙醇環(huán)己烷的氣-液平衡相圖。4.根據(jù)相圖指出該二元體系的恒沸點的溫度及恒沸混合物的組成。八、思考題1.沸點儀中的小球的體積過大對測量有何影響?2.如何判定氣-液相已達平衡?附1 WLS系列可調(diào)式恒流電源的使用方法1.將負載線按顏色插入并略旋緊（地線按需要與正或負連接，也可不連接）。2.接通電源，打開電源開關(guān)。3.將兩線夾短路，調(diào)節(jié)粗、細調(diào)整旋扭，使電流顯示所需讀數(shù)。4.將負載夾與負載按正負極性相連，此時儀器顯示通過負載的電流及兩端電壓。附2 阿貝折光儀的使用及說明1.儀器構(gòu)造的簡單原理 根據(jù)光的全反射原理，光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，由于傳播速度不同，會

7、發(fā)生折射。根據(jù)折射定律，當光線從介質(zhì)進入介質(zhì)時，入射角i與折射角r之間有下列關(guān)系： （4-4）式中n1,n2,u1,u2 分別為1、2兩介質(zhì)的折射率和光在其中的傳播速度，n1，2是介質(zhì)2對于介質(zhì)1的相對折射率。折射率為物質(zhì)的特性常數(shù)，對一定波長的光，在一定溫度壓力下是一個定值。由式(4-4)可知，當n2n1時，則折射角r恒小于入射角i。當入射角i增加到90°時，折射角相應地增加到最大值rc，rc稱為臨界角，此時介質(zhì)2中從OY到OA之間有光線通過，而OY到OX之間則為暗區(qū)，如圖4-3。當入射角等于90°時，上式可寫成： （4-5）即在固定一種介質(zhì)時，臨界折射角rc的大小和折射

8、率有簡單的函數(shù)關(guān)系。阿貝折光儀就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。如圖4-4是儀器構(gòu)造的示意圖。它的主要部分為兩塊直角棱鏡P、P，棱鏡P的粗糙表面A，D，與P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P、P之間鋪成一簿層。光線從反射鏡射入棱鏡P后，由于A，D，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，進入棱鏡P中，由前所知，從各個方向進入棱鏡P的光線均產(chǎn)生折射，而其折射角全部落在臨界角rc之內(nèi)(因為棱鏡的折射率大于液體的折射率，因此入射角從0o到90o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P后射于目鏡上，此時若將目鏡的十字線調(diào)節(jié)到適當位

9、置，則會見到目鏡上半明半暗。AyxOrrci900rcrc90o-AADDPP圖 4.3 折射角 圖4.4折射儀構(gòu)造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： （4-6）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。在指定條件下，液體的折射率因所用單色光的波長不同而不同。若用普通白光作為光源，則由于發(fā)生色散而在明暗分界線處呈現(xiàn)彩色光帶，使明暗交界不清楚。為了能用白光作光源，故在儀器中還裝有兩個各由三塊棱鏡組成的“阿密西”棱鏡作為補償棱鏡(上面的一塊“阿

10、密西”棱鏡可以轉(zhuǎn)動)，調(diào)節(jié)其相對位置，在適當取向時，可以使從下面的折射棱鏡出來的色散光線重新成為白光，消除色帶，使明暗界線清楚。此時，用白光測得的折射率即相當于用鈉光D線(波長5890Å)所測得的折射率nD。 折射率是物質(zhì)的特性常數(shù)之一，它的數(shù)值與溫度、壓力和光源的波長等有關(guān)。符號nD20是指在20時用鈉光D線作光源時的物質(zhì)的折射率。溫度對折射率有影響。多數(shù)液態(tài)有機物質(zhì)當溫度每增加1時，折射率降低3.5×10-4到5.5×l0-4，而固體的折射率和溫度的關(guān)系沒有規(guī)律，一般不超過1.0×10-5。通常，大氣壓的變化對折射率的數(shù)值影響不明顯，只有在很精密的工

11、作中才考慮壓力的影響。2.阿貝折光儀的使用(見圖4.5) 打開棱鏡5、6，用擦鏡紙將鏡面擦潔后，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。 調(diào)節(jié)反射鏡7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，分界線通過十字線的交叉點，這時從放大鏡2即可在標尺上讀出液體的折射率。 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。 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。3.阿貝折光儀的標尺零點的校正阿貝折光儀在使用前，必須先經(jīng)標尺零點的校正，可用已知折射率的標準液體(如純水的nD25