双液系气液平衡相图的绘制华南师范大学物化实验.docx
《双液系气液平衡相图的绘制华南师范大学物化实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双液系气液平衡相图的绘制华南师范大学物化实验.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
双液系气液平衡相图的绘制华南师范大学物化实验
双液系气-液平衡相图的绘制
一、实验目的
（1）用回流冷凝法测定沸点时气相与液相的组成，绘制双液系相图。
找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。
（2）掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。
（3）了解阿贝折射计的构造原理，熟悉掌握阿贝折射计的使用方法。
二、实验原理
2.1液体的沸点
液体的沸点是液体饱和蒸汽压和外压相等时的温度，在外压一定时，纯液体的沸点有一个确定值。
2.2双液系的沸点
双液系的沸点不仅与外压有关，而且还与两种液体的相对含量有关。
理想的二组分体系在全部浓度范围内符合拉乌尔定律。
结构相似、性质相近的组分间可以形成近似的理想体系，这样可以形成简单的T-x（y）图。
大多数情况下，曲线将出现或正或负的偏差。
当这一偏差足够大时，在T-x（y）曲线上将出现极大点（负偏差）或极小点（正偏差）。
这种最高和最低沸点称为恒沸点，所对应的溶液称为恒沸混合物。
恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图（T－x），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为3类：
（1）一般偏差：
混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图1（a）所示。
（2）最大负偏差：
存在一个最小蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都小，混合物存在着最高沸点，如盐酸—水体系，如图1（b）所示。
（3）最大正偏差：
存在一个最大蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都大，混合物存在着最低沸点，如水-乙醇体系，如图1（c））所示。
图1.二组分真实液态混合物气—液平衡相图（T-x图）
考虑综合因素，实验选择具有最低恒沸点的乙醇-乙酸乙酯双液系。
根据相平衡原理，对二组分体系，当压力恒定时，在气液平衡两相区，体系的自由度为1。
若温度一定时，则气液亮相的组成也随之而定。
当溶液组成一定时，根据杠杆原理，两相的相对量也一定。
反之，实验中利用回流的方法保持气液两相的相对量一定，则体系的温度也随之而定。
2.3沸点测定仪
沸点测定仪利用回流的方法保持气液两相相对量一定，测量体系温度不发生改变时，即两相平衡后，取出两相的样品，用阿贝折射计测定气液平衡气相、液相的折射率，再通过预先测定的折射率-组成工作曲线来确定平衡时气相、液相的组成（即该温度下气液两相平衡成分的坐标点）。
改变体系总成分，再如上法找出另一对坐标点。
这样得若干对坐标点后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得T-x平衡图。
三、实验步骤
3.1乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率组成工作曲线的测绘
3.1.1折射率-体积分数工作曲线。
对于乙醇-乙酸乙酯等部分有机液体混合体系，当使用体积分数（φ）表示时，能得到直线的工作曲线，故只要分别准确测出25℃时纯乙醇、乙酸乙酯的折射率，将其连成直线，就得到
工作曲线（n-V）。
3.1.2折射率-摩尔分数工作曲线。
在
线上取8个点，利用乙醇、乙酸乙酯的密度合量比（%）等条件将以上点对应体积分数换算成摩尔分数，按对应的折射率重新绘
点，再将点连成平滑曲线，即为
工作曲线（n-x）。
3.2沸点仪的安装
将沸点仪洗净、烘干。
检查带温度计的软木塞是否塞紧、电热丝是否靠近容器底部的中心，温度计的水银球位置是否合适。
3.3样品的测定
3.3.1溶液的配制
粗略配制乙醇体积分数为5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%组成的乙醇-乙酸乙酯溶液。
3.3.2沸点的测定
自侧管假如索要测定的溶液（约20mL），其页面应在水银球的中部。
打开冷凝水，接上电源，用调压变压器调节电压（约12V），将液体缓慢加热使液体沸腾，最初在冷凝管下端内的液体不能代表平衡气相的组成，为加速达到平衡，可以等小槽中气相冷凝液体收集满后，调节冷凝管的三通阀门，使冷凝液体流回圆底烧瓶，重复三次，直到温度计上的读数稳定数分钟，记录温度计的读数，同时读出环境的温度；算出露茎温度，以便进行温度校正，并读出室内大气压力。
3.3.3取样
切断电源，停止加热，在冷凝管三通小槽处放置一个标有相应浓度记号的尾接小试管，并调节冷凝管的三通阀门，使冷凝液体不再流回至圆底烧瓶，而是流入尾接小试管中，并立即塞紧，防止其挥发；再用另一支干燥胶头滴管，从侧管处吸取容器中的溶液约1~2mL，转移到另一个小试管，也立即塞紧，两支小试管置于盛有冷水的小烧杯中保持待测，以防组分改变。
在样品的转移过程中动作要迅速而仔细。
并应尽早测定样品的折射率，不宜久藏。
当沸点仪内液体冷却后，将该溶液自侧管倒入到指定的回收瓶中，再换另一浓度的双液体系溶液测定。
3.3.4折射率的测定
分别测定上面取的气相和液相样品的折射率。
每次加样要测读两次，若读得的两个数值很接近，则取其平均值。
每次加样前测量之前，必须先将折光仪的棱镜面洗净，方法是用数滴挥发性溶剂（如丙酮）淋洗，再用擦镜纸轻轻擦去残留在镜面上的溶剂，阿贝折射计在使用完毕后也必须将镜面处理干净。
3.3.5平衡气相和液相组成的测定
根据气相折射率的数据，在工作曲线n-x上分别查出平衡气相和液相的组成（x）。
按上述步骤，本别测定乙醇和乙酸乙酯的沸点，以及各溶液的沸点和平衡时气相和液相的组成。
四、数据处理
4.1溶液沸点的校正
（1）由于温度计的水银未全部浸入待测温度的区域内而需进行露茎校正。
Δt露茎=Kh（t观-t环）
式中，K=0.00016，是水银对玻璃的相对膨胀系数；h为露出于被测体系之外的水银柱长度，称露茎高度，以温度差值表示；t观为测量温度计上的读数；t环为环境温度，可用辅助温度计读出，其水银球置于测量温度计露茎的中部。
露茎校正后：
t沸=t观+Δt露茎。
编号
乙醇体积分数/%
h/℃
t观/℃
t环/℃
Δt露茎/℃
t沸/℃
1
100
72.1
79.0
24.0
0.63
79.63
2
90
70.4
77.3
23.5
0.61
77.91
3
70
67.9
74.8
23.5
0.56
75.36
4
50
66.2
73.1
23.5
0.53
73.63
5
38
65.8
72.7
23.5
0.52
73.22
6
22
65.8
72.7
23.5
0.52
73.22
7
15
66.2
73.1
23.8
0.52
73.62
8
10
67.3
74.2
23.5
0.55
74.75
9
5
68.8
75.7
23.8
0.57
76.27
10
0
70.5
77.4
24.0
0.60
78.00
表1.露茎校正数据记录
（2）溶液的沸点与大气压有关，应用特鲁顿规则及克劳修斯-克拉贝龙公式可得溶液沸点因大气压变动的近似校正公式。
式中，ΔT是沸点的压力校正值；T沸是溶液的沸点（均用热力学温度表示）；p是测定时的大气压，mmHg（1mmHg=133.32Pa）。
若用摄氏温标，Δt压表示沸点的压力校正值，则Δt压=Δt，由此，在1atm（1atm=101325Pa）下的溶液正常沸点为
t正常=t沸+Δt压
编号
乙醇体积分数/%
t沸/℃
t沸/K
p/mmHg
ΔT/K
t正常/℃
1
100
79.63
352.78
773.25
-0.62
79.01
2
90
77.91
351.06
773.25
-0.61
77.30
3
70
75.36
348.51
773.25
-0.61
74.75
4
50
73.63
346.78
773.25
-0.60
73.03
5
38
73.22
346.37
773.25
-0.60
72.62
6
22
73.22
346.37
773.25
-0.60
72.62
7
15
73.62
346.77
773.25
-0.60
73.02
8
10
74.75
347.90
773.25
-0.61
74.14
9
5
76.27
349.42
773.25
-0.61
75.66
10
0
78.00
351.15
773.25
-0.61
77.39
表2.沸点的压力校正
4.2乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率组成工作曲线的绘制
室温下，测得纯乙醇的折射率为1.3621
，纯乙酸乙酯的折射率为1.3728
。
4.3折射率-摩尔分数工作曲线
在图2的工作曲线上选取8个点，将对应点的体积分数换算成摩尔分数。
使用公式为
名称
密度ρ/（g·mL-1）
相对分子质量M/（g·mol-1）
乙醇
0.78506
46.07
乙酸乙酯
0.92454
88.12
表3.乙醇和乙酸乙酯的相关参数
取点编号
折射率/
体积分数φ/%
摩尔分数XB
1
1.3632
90
0.94
2
1.3642
80
0.87
3
1.3653
70
0.79
4
1.3664
60
0.71
5
1.3675
50
0.62
6
1.3685
40
0.52
7
1.3696
30
0.41
8
1.3707
20
0.29
表4.绘制折射率-摩尔分数工作曲线数据记录
4.4双液系气-液平衡相图的绘制
编号
乙醇体积分数/%
沸点/℃
液相折射率/
液相中乙醇的摩尔分数
气相折射率/
气相中乙醇的摩尔分数
1
100
79.01
1.3620
1
1.3617
1
2
90
77.30
1.3631
0.95
1.3646
0.85
3
70
74.75
1.3645
0.84
1.3668
0.67
4
50
73.03
1.3668
0.67
1.3680
0.57
5
38
72.62
1.3681
0.56
1.3690
0.47
6
22
72.62
1.3705
0.30
1.3696
0.40
7
15
73.02
1.3711
0.24
1.3705
0.30
8
10
74.14
1.3719
0.12
1.3710
0.25
9
5
75.66
1.3725
0.04
1.3720
0.11
10
0
77.39
1.3727
0
1.3728
0
表5.乙醇-乙酸乙酯混合液测定数据
根据平衡相图，可得恒沸温度：
72.60℃。
恒沸组成：
乙醇的摩尔分数为0.418，乙酸乙酯的摩尔分数为0.582.
五、注意事项
（1）电阻丝一定要被待测液体浸没，否则电热丝容易烧断，而且通电加热时可能会引起有机液体燃烧。
（2）所加电压不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可。
（2）先加溶液，再加热。
取样时，先停止通电再取样。
（3）每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。
（4）阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及，擦拭棱镜需用擦镜纸。
（5）测定折射率时，动作要迅速，尽量避免样品挥发损失，确保数据准确。
六、分析与讨论
6.1实验结果讨论
根据平衡相图，可得恒沸温度为72.60℃，乙醇的摩尔分数为0.418，乙酸乙酯的摩尔分数为0.582。
查找文献资料，查得乙醇-乙酸乙酯混合溶液的恒沸温度为56.9℃，乙醇的摩尔分数为0.0558，乙酸乙酯的摩尔分数为0.9442。
本次的实验值与文献参考值有很大的偏差。
原因之一可能是由于实验室所提供的混合溶液不纯，可能混有除乙醇和乙酸乙酯外的其他物质。
其次，本次实验测量的数据很多，每一次的测量均有可能引入误差。
折射率测定、温度计读数等实验操作最好由同一实验者负责，避免出现因个体操作差异而引入的误差。
烧瓶里面每更换一次溶液，为了避免引入水等其他杂质，并没有对其进行清洗，而是考虑到乙醇和乙酸乙酯都是挥发性液体，则采取用热风烘干的方法。
这方法原则上是可行的，但也难免有剩余的液体残留在烧瓶壁。
如果实验器材允许，最好准备两个烧瓶，交替使用，将前一个使用过的烧瓶彻底弄干后等下一次测量时备用。
6.2实验改进分析
在沸点仪侧管取液相样品的时候，由于侧管孔径很窄，胶头滴管不能完全伸入，样品加入量为20mL时勉强可以取得，因此实验时一般会加入超过25mL的样品，以保证样品的正常吸取。
但是这一做法会导致试剂浪费，最好的办法应该是配备合适的胶头滴管，前端的细玻璃管应该尽量长。
在仪器设备允许的前提下，用电子测温仪代替温度计的人工读数，电子测温仪准确度和精确度更高。
可以直观地通过显示屏上的数据观察温度的变化。
本次实验要根据气液相折射率的数据，要在折射率-摩尔分数工作曲线上分别查出平衡气相和液相的组成。
虽然我们已经通过excel软件得出曲线图，但仍然要通过人为读数在曲线图上查出各折射率所对应的摩尔分数。
数据一共有20组之多，一组一组地读数速度很慢，且精度不高。
因此，在技术支持的前提下，应采用适当的电脑软件，以协助读数。
升级会员 