雙液系實(shí)驗(yàn)報(bào)告

雙液系的氣液平衡相圖引言1?1實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)采用沸點(diǎn)儀測定常壓下環(huán)己烷一乙醇的氣液平衡相圖;掌握阿貝折射儀的使用方法。1.2實(shí)驗(yàn)原理將兩種蒸氣壓不同的揮發(fā)性液體混合，溶液的組成與其平衡氣相的組成不同。在壓力保持一定，二組分系統(tǒng)氣液達(dá)到平衡時(shí)，表示液態(tài)混合物的沸點(diǎn)與平衡時(shí)組成關(guān)系的相圖，稱為沸點(diǎn)和組成(T-x)圖。沸點(diǎn)和組成(T-x)的關(guān)系有下列三種：理想液體混合物或接近理想液體混合物的雙液系，其液體混合物的沸點(diǎn)介于兩純物質(zhì)沸點(diǎn)之間見圖1(a)；各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的負(fù)偏差，其溶液有最高恒沸點(diǎn)見圖1(b)；各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸點(diǎn)見圖1(c)。第(2)、(3)兩類溶液在最高或最低恒沸點(diǎn)時(shí)的氣液兩相組成相同，加熱蒸發(fā)的結(jié)果只使氣相總量增加，氣液相組成及溶液沸點(diǎn)保持不變，這時(shí)的溫度稱恒沸點(diǎn)，相應(yīng)的組成稱恒沸組成。第(1)類混合物可用一般精餾法分理處這兩種純物質(zhì)，第(2)、(3)類混合物用一般精餾方法只能分離出一種純物質(zhì)和另一種恒沸混合物。A BA BA B■D rike—ke—(a) ⑹ 3)圖1沸點(diǎn)組成圖[1]為了測定二兀液系的T—x圖，需在氣液兩相達(dá)到平衡后，同事測定溶液的沸點(diǎn)、氣相和液相組成。本實(shí)驗(yàn)是測定具有最低恒沸點(diǎn)的環(huán)己烷一乙醇雙液系的T—x圖。方法是用沸點(diǎn)儀(圖2)直接測定一系列不同組成之溶液的氣液平衡溫度(即沸點(diǎn))，并收集少量餾出液(即氣相冷凝液)及吸取少量溶液(即液相)，分別用阿貝折射僅測定其折射率。為了求出相應(yīng)的組成，必須先測定已知組成的溶液的折射率，作出折射率對組成的工作曲線，在此曲線上即可查得對應(yīng)于樣品折射率的組成。沸點(diǎn)儀的種類很多，本實(shí)驗(yàn)采用一種帶有電阻絲加熱的沸點(diǎn)儀。沸騰的溶液由噴嘴噴向溫度計(jì)，因此可以測得蒸氣與液相平衡時(shí)的溫度。氣相經(jīng)冷凝后貯存在小泡內(nèi)。圖2沸點(diǎn)儀[1]實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)用品沸點(diǎn)儀、XT—600S60KT調(diào)壓器、阿貝折射儀、超級恒溫槽、數(shù)顯溫度計(jì)、膠頭滴管、錐形瓶（帶瓶塞），電子分析天平、洗耳球、10mL移液管。環(huán)己烷、無水乙醇（分析純）各種濃度的環(huán)已烷一乙醇混合溶液（已注入各沸點(diǎn)儀中,環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：0%,10%,30%,69.5%,90%,96%,100%）。2.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫T0=15.2°C。相對濕度31%。p0=101.400kPa。2.3實(shí)驗(yàn)步驟2.3.1配制環(huán)己烷一乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液。取5個錐形瓶并編號，稱量錐形瓶的質(zhì)量，向5個錐形瓶中分別加入1mL、2mL、3mL、4mL、5mL環(huán)己烷，稱量質(zhì)量，計(jì)算出所加入的環(huán)己烷的質(zhì)量。再向5個錐形瓶中分別加入5mL、4mL、3mL、2mL、1mL純乙醇，再次稱量總質(zhì)量，計(jì)算出環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2.3.2測定溶液折射率。用阿貝折射儀測定純乙醇、純環(huán)己烷和上述5種濃度的環(huán)己烷—乙醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率。測之前注意搖勻環(huán)己烷一乙醇混合溶液。2.3.3測定液相和氣相組成。分別測定環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%,10%,30%,69.5%,90%, 96%,100%的環(huán)己烷一乙醇混合溶液在沸點(diǎn)下的液相和氣相組成。測定方法：接通電源，同冷凝水，按要求調(diào)節(jié)調(diào)壓器，加熱溶液沸騰，待其溫度計(jì)上所顯示的溫度保持恒定后，記下溫度值。同時(shí)停止加熱，并立即在小泡中取氣相冷凝液，迅速測定其折射率，然后取少量液相測定其折射率。若認(rèn)為數(shù)據(jù)不可靠,重復(fù)上述操作。2.3.4繪圖。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制沸點(diǎn)一組成草圖，根據(jù)圖形決定補(bǔ)測若干點(diǎn)的數(shù)據(jù)。2.4注意事項(xiàng)2.4.1加熱電阻絲的電壓不得超過40V,注意防暴沸。2.4.2一定要使體系達(dá)到氣液平衡后即溫度穩(wěn)定后才可以取樣測量。2.4.3取樣后的膠頭滴管不可倒置。2.4.4取氣相冷凝液時(shí)停止加熱。

2.4.5使用阿貝折射儀時(shí)，棱鏡面不可觸及硬物。棱鏡上加入被測溶液后立即關(guān)閉鏡頭。每次測量折射率后，要將折射儀棱鏡打開，用洗耳球吹干，以備下次測定用。實(shí)驗(yàn)中必須使用同一臺阿貝折射儀測量。2.4.6實(shí)驗(yàn)過程中必須在沸點(diǎn)儀的冷凝管中通入冷凝水，使氣相全部冷凝。結(jié)果與討論3?1原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及初步處理表1環(huán)己烷一乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液及其對應(yīng)折射率溶液號空瓶質(zhì)量/g加入環(huán)己烷后總質(zhì)量/g再加入乙醇后總質(zhì)量/g溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)/%折射率1---01.3631228.452829.174733.045815.71741.3698327.629329.141432.247632.74151.3801431.302533.593335.927049.53621.3908531.187334.258735.813266.39571.4029633.699037.535338.297983.41781.41627---1001.4271表2待測的環(huán)己烷一乙醇溶液的沸點(diǎn)及沸點(diǎn)下的液相和氣相的組成溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)/%氣相折射率液相折射率沸點(diǎn)t/C0（純乙醇）1.36221.362078.34101.37601.364974.77301.39481.374267.8969.51.40391.397264.54901.40301.418164.33961.40891.423166.33100（純環(huán)己烷）1.42711.427180.053.2計(jì)算的數(shù)據(jù)、、結(jié)果用origin對表一中數(shù)據(jù)以公式丁“十“*進(jìn)行擬合，得到工作曲線。

ModelE冷DeclEquationy= yOReducedChi-Sqr1.11.396E-6Adj.R-Square0.99804?ValueStandardErrors前1..-2480^-0.04149A10.116180.04089t1-22253^3763.13264k<1.004490.001-27tau^154.5249543-.-7602J1'圖3環(huán)己烷-乙醇組成與折射率工作曲線R2=0.998表明相關(guān)性極好。在工作曲線上找出與各物系點(diǎn)對應(yīng)的相的組成:表4利用指數(shù)函數(shù)工作曲線求得的氣液兩相組成數(shù)據(jù)溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)010%30%69.5%90%96%100%氣相組成/%025.025055.109468.368367.091275.3164100液相組成/%-0.38415.105121.921958.708687.565793.9509100繪制環(huán)己烷一乙醇體系T-x相圖。圖4環(huán)己烷一乙醇體系沸點(diǎn)一組成圖由圖象和數(shù)據(jù)觀察到，環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的液相點(diǎn)與預(yù)期值存在較大偏差，由于

實(shí)驗(yàn)時(shí)其他兩組也出現(xiàn)了相似的問題，我們?nèi)サ舸它c(diǎn)再作圖，得到下圖：由圖可更為清楚的觀察到(通過加網(wǎng)格觀察)，體系的最低恒沸點(diǎn)為64.54°C；恒沸物中，環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.4%。3.2分析討論3.2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)測得乙醇沸點(diǎn)為78.34C,與文獻(xiàn)4值完全吻合；測得環(huán)己烷沸點(diǎn)80.05C,與文獻(xiàn)4值80.7C相對誤差為0.8%，準(zhǔn)確性較好。與文獻(xiàn)4值乙醇環(huán)己烷最低恒沸點(diǎn)64.9C(101.325kPa)相比，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對誤差為0.55%，在誤差允許范圍內(nèi)十分接近。3.2.2誤差分析3.2.2.1乙醇和環(huán)己烷的易揮發(fā)性。在量取環(huán)己烷和乙醇作工作曲線時(shí)，蓋錐形瓶蓋需要一定時(shí)間，故一定有少量乙醇及環(huán)己烷揮發(fā)；配置完溶液后并未立即測量，造成誤差；在使用阿貝分光儀時(shí)，移液以及將樣品滴在鏡面上到合上雙棱鏡均需要一定時(shí)間，及觀察時(shí)間一旦過長，都會造成環(huán)己烷和乙醇的揮發(fā)，而使測量的折射率存在誤差。由文獻(xiàn)知，兩組分中乙醇較環(huán)己烷在室溫下具有更高的飽和蒸汽壓，故所測折射率偏向乙醇折射率。3.2.2.2阿貝折射儀的誤差。本組使用的阿貝折射儀為較舊的儀器，與其他兩組相比可能誤差更大。而使用時(shí)由于人肉眼分辨度有限而無法很精確判斷色散與否，讀數(shù)最后一位的估讀亦有主觀因素存在，因而存在誤差；剛從液相、氣相冷凝液中取出的液體未經(jīng)冷卻到達(dá)阿貝折射儀的工作溫度，就進(jìn)行測量，因此測量溫度不恒定，造成誤差。3.2.2.3恒沸點(diǎn)儀僅有一個支管供氣、液相通過，造成向上的蒸氣和冷凝后向下的液滴在支管內(nèi)交匯，發(fā)生熱交換，使上升蒸氣溫度下降，一部分被冷凝,以致實(shí)驗(yàn)測得的氣相冷凝液不能代表實(shí)際的平衡蒸氣組成，造成系統(tǒng)誤差。3.2.2.4冷凝氣相測折射率，由于氣相不停變化，且冷凝液與氣相組分并不完全相同造成誤差。而液相由于加熱時(shí)水壓較大，不可避免的進(jìn)入氣相冷凝液貯存小泡中。3.2.2.5溫度測定不精確。溫度計(jì)的靈敏度有限；雙液系沸騰時(shí)，兩組分實(shí)際上也在發(fā)生變化，液相組成不固定，而且加熱時(shí)間也不固定，沸點(diǎn)會變化，很難做到所測沸點(diǎn)即為取液測折射率時(shí)的沸點(diǎn)；本實(shí)驗(yàn)溫度計(jì)位于噴嘴出，測量噴出液體溫度，如果沸騰程度減小時(shí)，噴出液體頻率和幅度都有所降低，增加溫度計(jì)散熱時(shí)間，使溫度略有下降，造成誤差。3.2.2.6測溫時(shí)，理論上應(yīng)該等待示數(shù)穩(wěn)定再讀數(shù)。然而，在示數(shù)接近某溫度不變時(shí),較長時(shí)間觀察表明，還是會有0.1-0.2°C的震蕩幅度。而如果加熱電壓很大，30V以上時(shí)，溫度會升高，當(dāng)溶液出現(xiàn)過熱或出現(xiàn)分餾現(xiàn)象，系統(tǒng)處于不平衡態(tài)，會使所測沸點(diǎn)偏高，所以繪出的相圖圖形向上偏移。3.2.3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)3.2.3.1在調(diào)節(jié)加熱電壓時(shí)需緩慢升高，不要急劇升高。而操作不當(dāng)極易暴沸。避免暴沸的好方法是，將加熱電壓由0V緩慢調(diào)至30V左右（不超過40V）在觀察到電阻絲上有小泡產(chǎn)生后，再慢慢降低電壓至20V左右即可。原理：過熱液體是不穩(wěn)定的，如果過熱液體的外部環(huán)境溫度突然急劇下降或侵入氣泡或雜質(zhì)，則會形成劇烈的沸騰,并伴有爆裂聲，這種現(xiàn)象叫暴沸。而較高的加熱電壓使整個液體溫度相同，避免了由于溫差過大而引發(fā)的暴沸。3.2.3.2加熱電壓不宜過大，過大則會劇烈沸騰，使噴嘴出大量液體噴出，由于水壓大可能有液體進(jìn)入氣相儲存小泡中，造成誤差。3.2.4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)原實(shí)驗(yàn)中采用電阻絲加熱，容易造成受熱不均，以及電壓過大電阻絲容易被燒斷等安全隱患問題。因此可采用下圖所示改進(jìn)裝置，將燒瓶內(nèi)的電熱絲改用電熱套套在燒瓶外，并用電子節(jié)能控溫儀替代笨重的線圈式調(diào)壓器，與電熱套配合使用。電子節(jié)能控溫儀采用大功率可控硅控制電壓，可使加熱套在0—220V電壓范圍任意控溫加熱。操作簡單而安全可靠。圖2改進(jìn)后的沸點(diǎn)儀裝置圖5. 1.冷凝器；2.溫度計(jì)；3-氣相冷凝液取樣口；4.氣相冷凝液貯存槽；5.蒸懈瓶；&液相取樣口；7.電熱套衛(wèi).電子節(jié)能控溫儀圖6改進(jìn)沸點(diǎn)儀裝置圖實(shí)驗(yàn)結(jié)論環(huán)己烷一乙醇雙液系為具有最低恒沸點(diǎn)的雙液系，在最低恒沸點(diǎn)時(shí)的氣相和液相組成相同。此雙液系非理想溶液，對拉烏爾定律有負(fù)偏差（從而在工業(yè)分離時(shí)若利用精餾等方法分離，只能分離出一種純物質(zhì)和另一種恒沸混合物）。其最低恒沸點(diǎn)約為約為64.54°C，恒沸混合物中環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為68.4%。與文獻(xiàn)值4十分接近。參考文獻(xiàn)賀德華，麻英，張連慶?基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?第1版?北京:高等教育出版社，2008.朱文濤，王軍民，陳琳?簡明物理化學(xué)?北京:清華大學(xué)出版社，2008.劉一品，唐暉，雙液系的氣液平衡相圖實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].大學(xué)化學(xué),2003,6RobertC.WcastHandbookofChemistryandPhysics.58thed.Ohio:CRCPress,1977.思考題6.1使用阿貝折射儀時(shí)要注意什么問題？如何使用才能測準(zhǔn)數(shù)據(jù)？在棱鏡上不能觸及硬物（特別是滴管），棱鏡上加入被測溶液后立即關(guān)閉鏡頭；折射率受溫度影響，因此需保持被測液體的恒溫，打開恒溫儀，在恒溫下測量折射率；使用之前先校正儀器，調(diào)節(jié)黑色線的清晰度，使得黑色邊界分明，測量時(shí)候使黑色線超過十字線交點(diǎn)后再返回和交點(diǎn)重合，這樣可以消除旋鈕造成的儀器系統(tǒng)誤差，讀數(shù)要注意讀兩邊的數(shù)，最后取小數(shù)點(diǎn)后四位；每次測量折射率后，要將折射儀的棱鏡打開晾干,以備下次測定用，可用洗耳球向鏡面吹氣以加速其晾干，切不可用普通紙張擦拭，以免劃傷鏡面。6?2收集氣相冷凝液的小泡體積太大，對測量有何影響？若收集氣相冷凝液的小泡體積太大，當(dāng)液相液體偶然噴入小泡時(shí)，冷凝管產(chǎn)生的氣相冷凝液不能及時(shí)將液相排出小泡，部分液相液體殘留于小泡中不能及時(shí)回流，而氣體組分在不停變化，從而導(dǎo)致小泡中液體的組成向液相方向偏差，而與此時(shí)刻氣相差距較大。6.3平衡時(shí)，氣液兩相溫度應(yīng)不應(yīng)該一樣？實(shí)際是否一樣？怎樣防止溫度的差異？應(yīng)該一樣，體系自由度為1,組成一致溫度唯一。這樣使得折射率的測量在同一溫度下進(jìn)行，減少誤差，相圖的繪制也對溫度的同一性有要求。實(shí)際上溫度略有差異，考慮到瓶存在散熱，與環(huán)境發(fā)生熱交換，溫度計(jì)示數(shù)實(shí)際在波動，氣液相溫度交替，并未達(dá)完全平衡而是小范圍波動。實(shí)驗(yàn)中采用的方法是，將溫度計(jì)水銀球放在噴嘴處，用液相不斷沖擊水銀球來減小氣液相的溫度