二組分氣液平衡相圖

1、工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 二組分氣液平衡相圖 實(shí)驗(yàn)三二組份氣液平衡相圖一、目的1、用沸點(diǎn)儀測定和繪制乙醇和環(huán)己烷的二組份氣液平衡相圖；2、用阿貝折射儀測定液體的組成，了解液體折射率的測量原理及方法。二、基本原理兩種液態(tài)物質(zhì)混合而成的二組份系統(tǒng)稱為雙液系。二液體若能按任意比例互相溶解，稱完全互溶雙液系；若只能在一定比例范圍內(nèi)互相溶解，則稱部分互溶雙液系。例如水乙醇雙液系、苯甲苯雙液系都是完全互溶雙液系，苯水雙液系則是部分互溶雙液系。液體的沸點(diǎn)是指液體的蒸汽壓和外壓相等時(shí)的溫度。在一定的外壓下，純液體的沸點(diǎn)有確定的值，但對(duì)于雙液系，沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān)，而且還與雙液系的組成有關(guān)，即和雙液

2、系中兩種液體的相對(duì)含量有關(guān)。通常用幾何作圖的方法將雙液系的沸點(diǎn)對(duì)其氣相、液相的組成作圖，即得二組份氣液平衡相圖，它表明溶液在各種沸點(diǎn)的液相組成和與之成平衡的氣相組成的關(guān)系。在恒壓下，二組份完全互溶雙液系的沸點(diǎn)組成圖可分為三類：溶液的沸點(diǎn)介于兩純組份沸點(diǎn)之間，如苯和甲苯、水和甲醇等。溶液有最高沸點(diǎn)，如氯化氫與水、硝酸和水、丙酮與氯仿等。溶液有最低沸點(diǎn)，如水和乙醇、苯和乙醇、乙醇和環(huán)已烷等。這三種類型的相圖如下圖所示圖4-1二組份氣液平衡相圖的三種類型圖中T*、T*分別表示純A純B的沸點(diǎn)。圖中兩曲線包圍的AB區(qū)域?yàn)闅庖灰簝上嗥胶夤泊鎱^(qū)。它的上方G代表氣相區(qū)，下方L為液相區(qū)。C和C分別表示最高和最低

3、恒沸物的沸點(diǎn)和組成。測繪這類相圖時(shí)，要求同時(shí)測定溶液的沸點(diǎn)及氣液平衡時(shí)兩相的組成。本實(shí)驗(yàn)用回流冷凝法測定環(huán)己烷乙醇溶液在不同組成時(shí)的沸點(diǎn)。所用沸點(diǎn)儀如圖4-2所示，是一只帶有回流冷凝管的長頸園底燒瓶，冷凝管底部有一球形小室D，用以收集冷凝下來的氣相樣品，液相樣品則通過燒瓶上的支管L抽取，圖中E 二組分氣液平衡相圖 #二組分氣液平衡相圖是一根電熱絲，直接浸在溶液中加熱溶液。溶液的組成用測定其折射率確定。折射率是物質(zhì)的一個(gè)特征數(shù)值。溶液的折射率與組成有關(guān)，因此測得一系列已知濃度的溶液折射率，作出該溶液的折射率濃度工作曲線，就可按內(nèi)插法求得具有某折射率的溶液組成。物質(zhì)的折射率與溫度有關(guān),大多數(shù)液態(tài)有

4、機(jī)化合物折射率的溫度系數(shù)為-0.0004，因此在測定時(shí)應(yīng)將溫度控制在指定值的0.2C范圍內(nèi)，才能將這些液體樣品的折射率測準(zhǔn)到小數(shù)點(diǎn)后4位。對(duì)揮發(fā)性溶液，加樣品動(dòng)作要迅速，以防揮發(fā)影響測定結(jié)果。圖4-2沸點(diǎn)儀A-盛液容器;B-測量溫度計(jì)；C-小玻管;D-小球;E-電熱絲；L-支管;G-溫度計(jì);F-冷凝管三、儀器及藥品沸點(diǎn)儀1套；超級(jí)恒溫槽1套；阿貝折射儀1臺(tái)；調(diào)壓變壓器1只；溫度計(jì)(50-100C,最小分度0.1C)1支；溫度計(jì)(0-100C,最小分度1C)1支；無水乙醇(AR)；丙酮；環(huán)己烷(AR)；滴管兩只。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、將超級(jí)恒溫槽的進(jìn)出水管和阿貝折射儀的進(jìn)出水管連接工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列

5、教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)二組分氣液平衡相圖 二組分氣液平衡相圖 #好，接通恒溫槽電源，調(diào)節(jié)水溫至30C，調(diào)節(jié)方法見實(shí)驗(yàn)一。2、用阿貝折射儀測定純乙醇和純環(huán)己烷的折射率，阿貝折射儀的使用方法見附錄4-1。3、測定標(biāo)準(zhǔn)乙醇環(huán)己烷溶液的折射率。（此項(xiàng)由教師事先作好，供給數(shù)據(jù)）。4、在干燥的沸點(diǎn)儀中放入30cm3純乙醇，按圖42安裝好。檢查帶有溫度計(jì)的木塞是否塞緊,加熱用的電熱絲要靠近容器A的底部中心。溫度計(jì)水銀球的位置至少高于電熱絲lcm,溫度計(jì)水銀球下部包以濾紙，濾紙下端不要浸人溶液內(nèi)。冷凝管內(nèi)通入冷水。接通電熱絲電源,用調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓約10V,（不能超過15V!）將液體緩緩加熱，待液體微沸約2分鐘后，溫

6、度恒定不變時(shí)記下溫度計(jì)B和G的讀數(shù)，按附錄3-1進(jìn)行溫度計(jì)外露部分的校正,校正后的溫度即為純乙醇的沸點(diǎn)。5、停止加熱讓液體冷卻后，用移液管吸取3.0cm3的環(huán)己烷從支管L處加入容器A中。加熱溶液到沸騰。調(diào)節(jié)冷凝管F中冷卻水的流量以控制蒸汽在冷凝管中回流高度不宜太高,以2cm較合適，以防蒸汽逸出。如此沸騰一段時(shí)間，使冷凝液不斷淋洗小球D中的液體，直到溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定為止。6、停止加熱。用長滴管吸取小球D處的冷凝液，用阿貝折射儀測定其折射率；打開L支管的磨塞，迅速用滴管吸取殘餾液測定其折射率。取樣滴管要清潔干燥。在樣品轉(zhuǎn)移、測量過程中要迅速而仔細(xì)。每次使用折射儀前要用乙醚（或丙酮）淋洗棱鏡面，干燥

7、后再加樣測定。7、再依次加入3.0、4.5、5.5、7.0、10.0cm3的純環(huán)己烷，按前述方法測定溶液的沸點(diǎn)和氣液兩相的折射率。8、上述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，把沸點(diǎn)儀中的溶液倒人廢液回收瓶中，用電吹風(fēng)吹干沸點(diǎn)儀。注入30cm3環(huán)己烷，測定沸點(diǎn)；依次加入0.5、1.0、2.0、5.0cm3的純乙醇,分別測定它們的沸點(diǎn)和氣、液兩相的折射率。五、數(shù)據(jù)記錄和結(jié)果處理1、根據(jù)各樣品的折射率由折射率組成的工作曲線查得相應(yīng)組成，列表工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)二組分氣液平衡相圖 #二組分氣液平衡相圖 #30cm3乙醇中加入環(huán)己烷的毫升數(shù)沸點(diǎn)溫度工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)二組分氣液平衡相圖 # #二

8、組分氣液平衡相圖 #工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)二組分氣液平衡相圖 # 二組分氣液平衡相圖 #加量總量TTn校正值折射率濃度折射率濃度r003.03.04.57.55.513.07.020.010.030.030cm3環(huán)己烷中加入乙醇的毫升數(shù)000.50.51.01.52.03.55.08.52、作乙醇環(huán)己烷的氣液平衡相圖。六、思考題1、沸點(diǎn)儀中的小球D體積過大或過小，對(duì)測量有何影響?2、在測定時(shí)，有過熱現(xiàn)象產(chǎn)生，將會(huì)使相圖圖形產(chǎn)生什么變化?工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 二組分氣液平衡相圖 #附錄4-1：阿貝折射儀1、折射率測定的基本原理當(dāng)一束光從一種介質(zhì)A進(jìn)入另一種介質(zhì)B時(shí)，

9、在界面上會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，如圖4-3所示。根據(jù)史耐爾(Snell)定律，波長一定的單色光在溫度、壓力不變的條件下，其入射角i和折射角Y與這兩種介質(zhì)的折射率n(A)、n(B)有下列關(guān)系sini(A)n(B)sinY(Bn(A)圖4-3光在不同的介質(zhì)中的折射如果介質(zhì)A是真空，因規(guī)定n(真空)=1,因此sini(真空)n(B)=r-行廠sinY(B)工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 二組分氣液平衡相圖 #二組分氣液平衡相圖n稱為介質(zhì)B的絕對(duì)折射率，如果介質(zhì)A為空氣，n（空氣）=1.0027（空氣的絕對(duì)折射率）。則sini（空氣）、sinY（B）n（空氣）福=nn稱為介質(zhì)B對(duì)空氣的相對(duì)折射率，又稱常

10、用折射率。因n與n相差很小，通常就把常用折射率替代絕對(duì)折射率。折射率以n表示，由于n與波長有關(guān)，因此在其右下角注以字母表示測定時(shí)所用的單色光的波長，D、F、G、C分別表示鈉的D（黃）線、氫的F（籃）線、G（紫）線、C（紅）線等。另外折射率又與介質(zhì)的溫度有關(guān)，因而在n的右上角注明測量時(shí)介質(zhì)的溫度。例如叫表示2C時(shí)該介質(zhì)對(duì)鈉光D線的折射率。大氣壓對(duì)折射率的影響極微，可不考慮。阿貝折射儀是根據(jù)臨界折射現(xiàn)象設(shè)計(jì)的。在圖4-3中若B為棱鏡、A為樣品、而棱鏡折射率大于樣品的折射率：n（B）n（A）。若入射光1正好沿著棱鏡與試樣的界面射入，其折射光為1，入射角人=90，折射角為r,此即為臨界角，因?yàn)樵贈(zèng)]有比

11、1cr更大的折射角了。大于臨界角處構(gòu)成暗區(qū)，小于r處構(gòu)成亮cc區(qū)。因此r具有特征意義。而且有cnA佝為=n(B)sinrc顯然，如果已知棱鏡B的折射率n（B），測定臨界角nc就能算出被測試的折射率。2、阿貝折射儀的結(jié)構(gòu)圖4-4為阿貝折射儀的光程和外形示意圖。儀器的中心部件是由兩塊直角棱鏡組成的棱鏡組。下面一塊是可以啟閉的輔助棱鏡Q,且其斜面是磨砂的。液體試樣夾在輔助棱鏡與測量棱鏡P之間，展開成一薄層。光由光源經(jīng)反射鏡M放射到輔助棱鏡，磨砂的斜面發(fā)生漫射，因此從液體試樣層進(jìn)入測量棱鏡P的光線各個(gè)方向都有，從P直角邊上方可觀察到臨界折射現(xiàn)象。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡組轉(zhuǎn)軸A的手柄R,調(diào)整棱鏡組的角度，使臨界線對(duì)準(zhǔn)

12、測量望遠(yuǎn)鏡視野V中的X形準(zhǔn)線的交點(diǎn)。由于刻度盤SC與棱鏡組同軸為A,因此試樣的折射率可通過臨界角在刻度盤上反映出來。刻度盤上的示值有兩行、右邊一行是折射率作（從1.3000到1.7000）、左邊另一行是095%、專門測定糖水溶液中糖的重量百分?jǐn)?shù)。為了方便，阿貝折射儀的光源采用日光，而不是單色光，日光通過棱鏡時(shí)產(chǎn)生色散，使臨界線模糊，因而在測量望遠(yuǎn)鏡的鏡筒下面設(shè)計(jì)了一套消色散棱鏡Am（amici棱鏡），旋轉(zhuǎn)消色散手柄K,就可消除色散現(xiàn)象。工科基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)系列教材物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)二組分氣液平衡相圖 二組分氣液平衡相圖 #圖4-4阿貝折射儀的構(gòu)造及外形3、折射儀的使用方法安裝將折射儀置于靠窗的桌上或普通

13、白熾燈前，將溫度計(jì)擰入棱鏡外套上溫度插座內(nèi)。用橡皮管將棱鏡夾套的進(jìn)出水口與超級(jí)恒溫槽串接起來，恒溫溫度以折射儀上的溫度計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)，一般選用200.1C或300.1C。加樣松開鎖鈕，開啟輔助棱鏡，使其磨砂的斜面處于水平位置，用滴管加少量丙酮清洗鏡面，促使難揮發(fā)的玷污物逸走，用滴管時(shí)注意勿使管口碰觸鏡面。必要時(shí)可用揩鏡紙輕輕揩試鏡面，但切勿使用濾紙。待鏡面干燥后滴加數(shù)滴試樣于輔助棱鏡的毛鏡面上，閉合輔助棱鏡，旋緊鎖鈕。對(duì)光轉(zhuǎn)動(dòng)手柄R,使刻度盤標(biāo)尺上的示值為最小，調(diào)節(jié)反射鏡，使放射光進(jìn)入棱鏡組，從測量望遠(yuǎn)鏡中觀察使視場最亮。調(diào)節(jié)目鏡，使視場準(zhǔn)線最清晰。粗調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使刻度盤標(biāo)尺上的示值逐漸增大，直到視場中出現(xiàn)彩色光帶或黑白臨界線。消色散轉(zhuǎn)動(dòng)消色散手柄K使視場內(nèi)出現(xiàn)一清晰的明暗臨界線。精調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄R,使臨界線正好在X形準(zhǔn)線交點(diǎn)上。若此時(shí)又呈現(xiàn)微色散，必須重調(diào)色散手柄K,使臨界線明暗清晰。讀數(shù)打開刻度盤罩殼上的小窗，調(diào)節(jié)小窗角度使光線射入，然后從讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡中讀出標(biāo)尺上相應(yīng)的示值。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄R,連續(xù)讀數(shù)三次，相差小于0.0002，然后取其平均值。同一試樣應(yīng)重復(fù)測量一次。校正（學(xué)生不作）折射儀刻度上的零點(diǎn)讀數(shù)有時(shí)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，須加以校正。一般使用二次蒸餾水，轉(zhuǎn)動(dòng)R使讀數(shù)等于實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)水的折射率（可查表得到，例如n?（水）