04雙液系的氣-液平衡相圖的繪制

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制實(shí)驗(yàn)四雙液系的氣-液平衡相圖的繪制一、目的要求.用沸點(diǎn)儀測定大氣壓下乙醇一環(huán)己烷或異丙醇-環(huán)己烷雙液系氣-液平衡時(shí)氣相與液相組成及平衡溫度，繪制溫度一組成圖，確定恒沸混合物的組成及恒沸點(diǎn)的溫度。.了解物化實(shí)驗(yàn)中光學(xué)方法的基本原理，學(xué)會阿貝折光儀的使用。.進(jìn)一步理解分餾原理。二、預(yù)習(xí)要求.理解分餾原理，了解影響雙液系氣-液平衡的因素。.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。.掌握如何由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制方-x相圖的方法。三、實(shí)驗(yàn)原理兩種在常溫時(shí)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，則稱部分互雙液系。雙液系的氣液平衡相圖t-x圖可分為三類。如圖4.1。AXg XlAXg XlB B（a）XBf（b）圖4.1 二元系統(tǒng)t-x圖這些圖的縱軸是溫度(沸點(diǎn))，橫軸是代表液體B的摩爾分?jǐn)?shù)xB。在t-x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(diǎn)時(shí)與溶液成平衡時(shí)的氣相組成，下面的曲線表示液相線，代表平衡時(shí)液相的組成。例如圖4.1(a)中對應(yīng)于溫度t1的氣相點(diǎn)為X，液相點(diǎn)為I，這時(shí)的氣相組成x點(diǎn)的橫軸讀數(shù)是xg，液相組成點(diǎn)l點(diǎn)的橫軸讀數(shù)為xl。B 1 B-37-物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制如果在恒壓下將溶液蒸餾，當(dāng)氣液兩相達(dá)平衡時(shí)，記下此時(shí)的沸點(diǎn)，并分別測定氣相（餾出物）與液相（蒸餾液）的組成，就能繪出此tx圖。圖4.1（b）上有個(gè)最低點(diǎn)，圖4.1（c）上有個(gè)最高點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)，其相應(yīng)的溶液稱為恒沸混合物，在此點(diǎn)蒸餾所得氣相與液相組成相同。四、儀器和藥品.儀器玻璃沸點(diǎn)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(jì)一臺；SYC超級恒溫槽一臺。.藥品無水乙醇（AR）或異丙醇（AR）；環(huán)己烷（AR）。五、實(shí)驗(yàn)步驟.按圖4.2連好沸點(diǎn)儀，數(shù)字貝克曼溫度計(jì)，感溫桿勿與電熱絲相碰。.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A，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(fù)三次（加熱時(shí)間不宜太長，以免物質(zhì)揮發(fā)）記下乙醇的沸點(diǎn)及環(huán)境氣壓。.依次再加入2、3、6、12ml環(huán)己烷，同上法測定溶液的沸點(diǎn)和吸取氣、液相并測其-38-物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制折射率。.將溶液倒入回收瓶，用吹風(fēng)機(jī)吹干蒸餾瓶。.從側(cè)管加入35ml環(huán)己烷，測其沸點(diǎn)。.依次加入0.3、0.8、、1.6、2ml異丙醇，按上法測其沸點(diǎn)和吸取氣、液相并測其折射率。.關(guān)閉儀器和冷凝水，將溶液倒入回收瓶。.用阿貝折光儀測定不同組成標(biāo)準(zhǔn)溶液以及純異丙醇、純環(huán)己烷的折射率。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng).沸點(diǎn)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(shí)，沸點(diǎn)儀會炸裂。.一定要在停止通電加熱之后，方可取樣進(jìn)行分析。.使用阿貝折光儀時(shí)，棱鏡上不能觸及硬物（滴管），要用專用擦鏡紙擦鏡面。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理.將標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積百分?jǐn)?shù)按式（4-1）換算成重量百分?jǐn)?shù)，然后以重量百分?jǐn)?shù)對折射率作圖。zVdw%= x100% （4-1）匕d1+V2d2式中V1、d1分別代表乙醇的體積及比重。乙醇的比重在20℃為；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(shí)為。.沸點(diǎn)校正。由于溫度計(jì)的水銀柱未全部浸入待測溫度的區(qū)域內(nèi)而須進(jìn)行露莖校正，校正公式如下：At露二K?n?（t測一t環(huán)） （4-2）t真二t測+At露 （4-3）式中K=,n為露出被測體系之外的水銀柱長度，t測為測量溫度計(jì)上的讀數(shù)，t環(huán)為環(huán)境溫度，t真為校正后的溫度。-39-物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制.將由工作曲線查得的氣-液二相的平衡組成及校正后的沸點(diǎn)列表并繪制乙醇一環(huán)己烷或異丙醇一環(huán)己烷的氣-液平衡相圖。.根據(jù)相圖指出該二元體系的恒沸點(diǎn)的溫度及恒沸混合物的組成。八、思考題.沸點(diǎn)儀中的小球的體積過大對測量有何影響？.如何判定氣-液相已達(dá)平衡？附1WLS系列可調(diào)式恒流電源的使用方法.將負(fù)載線按顏色插入并略旋緊(地線按需要與正或負(fù)連接，也可不連接)。.接通電源，打開電源開關(guān)。.將兩線夾短路，調(diào)節(jié)粗、細(xì)調(diào)整旋扭，使電流顯示所需讀數(shù)。.將負(fù)載夾與負(fù)載按正負(fù)極性相連，此時(shí)儀器顯示通過負(fù)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(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于傳播速度不同，會發(fā)生折射。根據(jù)折射定律，當(dāng)光線從介質(zhì)1進(jìn)入介質(zhì)n時(shí)，入射角i與折射角r之間有下列關(guān)系：TOC\o"1-5"\h\zsinin u =t=—=n (4-4)sinrnu 1,21 2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，\,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(gè)定值。由式(4-4)可知，當(dāng)n2>n1時(shí)，則折射角r恒小于入射角，當(dāng)入射角i增加到90°時(shí)，折射角相應(yīng)地增加到最大值rc，rc稱為臨界角，此時(shí)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(dāng)入射角等于90°時(shí)，上式可寫成：n=nsinr (4-5)即在固定一種介質(zhì)時(shí)，臨界折射角rc的大小和折射率有簡單的函數(shù)關(guān)系。阿貝折光儀-40-

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)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「Pu，棱鏡P］的粗糙表面AD，與P］的光學(xué)平面鏡AD之間約有到的空隙，用于裝待測液體并使在PrPu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(jìn)入棱鏡Pu中，由前所知，從各個(gè)方向進(jìn)入棱鏡Pu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?yàn)槔忡R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Pu后射于目鏡上，此時(shí)若將目鏡的十字線調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置，則會見到目鏡上半明半暗。圖4.3折射角 圖4.4折射儀構(gòu)造從幾何光學(xué)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、-sinP1111n2、一sin2r-cosPsinr （4-6）P對一定的棱鏡為一常數(shù)，n棱鏡在定溫下也是個(gè)定值。所以液體的折射率n液是角rc的函數(shù)。由rc可計(jì)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(gè)各由三塊棱鏡組成的‘阿密西”棱鏡作為補(bǔ)償棱鏡（上面的一塊“阿密西，，棱鏡可以轉(zhuǎn)動），調(diào)節(jié)其相對位置，在適當(dāng)取向時(shí)，可以使從下面的折射棱鏡出-41-物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一一雙液系的氣-液平衡相圖的繪制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(shí)，用白光測得的折射率即相當(dāng)于用鈉光D線（波長5890區(qū)）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(shí)用鈉光D線作光源時(shí)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(jī)物質(zhì)當(dāng)溫度每增加1℃時(shí)，折射率降低3.5x10-4到5.5x10-4,而固體的折射率和溫度的關(guān)系沒有規(guī)律，一般不超過1.0x10-5。通常，大氣壓的變化對折射率的數(shù)值影響不明顯，只有在很精密的工作中才考慮壓力的影響。2.阿貝折光儀的使用（見圖4.5）⑴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(gè)鏡面、關(guān)上棱鏡。⑵調(diào)節(jié)反射鏡7使入射光線達(dá)到最強(qiáng)，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(diǎn)，這時(shí)從放大鏡2即可在標(biāo)尺上讀出液體的折射率。⑶如出現(xiàn)彩色光帶，調(diào)節(jié)消色補(bǔ)償器，使彩色光帶消失，明暗界面清晰。⑷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(shí)驗(yàn)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(biāo)尺零點(diǎn)的校正阿貝折光儀在使用前，必須先經(jīng)標(biāo)尺零點(diǎn)的校正，可用已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)液體（如純水的nD25