双液系的气液平衡相图.docx

实验3 双液系的气液平衡相图钱佳鹏 12024211931实验目的与要求311用沸点仪测定在一大气压下环已烷-乙醇双液系的气液平衡相图，确定其最低恒沸点温度及恒沸混合物的组成。312掌握双组分体系沸点的测定方法。通过实验进一步理解分馏原理。313用阿贝折射仪测定液体和蒸气的组成，学会用折光率确定双组分体系的组成。32预习要求321了解绘制双液系相图的基本原理。322了解阿贝折射仪的使用方法。323了解本实验中的注意事项，如何判断气液两相已达到平衡。33实验原理在常温下，两液态物质混合而成的体系称为双液系。两液体若只能在一定比例范围内互相溶解，称为部分互溶双液系，若两液体能以任意比例相互溶解，则称为完全互溶双液系。例如：苯乙醇体系、正丙醇水体系、环已烷乙醇体系都是完全互溶双液系，苯水体系则是部分互溶双液系。液体的沸点是指液体的蒸气压与外压相等时的温度。在一定的外压下，纯液体的沸点有确定的值。但对于双液系来说，沸点不仅与外压有关，而且还与双液系的组成有关，即与双液系中两种液体的相对含量有关。双液系在蒸馏时具有另一个特点是：在一般情况下，双液系的气相组成和液相组成并不相同。因此原则上有可能用反复蒸馏的方法，使双液系中的两液体互相分离。图31 完全互溶体系的一种蒸馏相图图32 完全互溶双液系的另一种蒸馏相图图33 完全互溶双液系的另一种蒸馏相图通常用几何做图的方法将双液系的沸点对其气相、液相组成做图，所得图形称为双液系T相图，在一定温度下还可画出体系的压力与组成的P关系图。完全互溶双液系在恒定压力下的气液平衡相图可分为三类：如果溶液与拉乌尔（Raoult）定律的偏差不大， 在T相图上，溶液的蒸气压和沸点介于A-B两纯组分蒸气压及沸点之间，如甲苯苯体系图31所示，为第一类。实际溶液由于A-B两组分的相互影响，常与拉乌尔定律有较大的偏差。在T相图上可能有最低和最高点出现，如图32、图33所示。这些点称为恒沸点，其相应的溶液称为恒沸点混合物。恒沸混合物蒸馏所得的气相与液相的组成相同，如：盐酸水体系具有最高恒沸点，为第二类。正丙醇水等体系具有最低恒沸点，为第三类。外界压力不同时，同一双液系的相图不尽相同，所以恒沸点和恒沸点混合物的组成还与外压有关，一般在未注明压力时，通常都指外压为标准大气压的值（1大气压为101325Pa）。从相律来看，对二组分体系，当压力恒定时，在气液二相共存区域中，自由度等于1，若温度一定，气液两相成分也就确定。当总成分一定时，由杠杆原理知，两相的相对量也一定。反之，在一定的实验装置中，利用回流冷凝的方法保持气液两相相对量一定，则体系的温度恒定。此时，取出两相中的样品，用物理方法或化学方法分析两相的成分，可给出在该温度时气液两相平衡成分的坐标点。改变体系的总成分，再如上法可找出另一对坐标点，这样测得若干对坐标后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得双液系的T相图。本实验两相中的成分分析均采用折光率法，溶液折光率法测定，请看附录说明书。物质的折光率是一特征数值，它与物质的浓度及温度有关。大多数液态有机化合物的折光率的温度系数为-0。0004，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。一般温度控制在0。2时，能从阿贝折射仪上准确测到小数点后4位有效数字。溶液的浓度、组成不同折光率也不同。因此可先配制一系列已知组成，已知浓度的溶液，在恒定温度下测其折光率，做出组成折光率工作曲线，便可通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的浓度与组成。沸点仪的构造：沸点仪的设计虽然各有异，但其设计思想集中在如何正确地测定沸点和气液相的组成，以及防止过热和避免分馏等方面。我们所使用的沸点仪如图34所示。这是一只带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶，冷凝管底部有一球形小室D，用以收集冷凝下来的气相样品。液相样品则通过烧瓶上的支管L抽取，图中E是一根用300W的电炉丝截制而成的电热丝，直接浸入溶液中加热，以减少溶液沸腾时的过热暴沸现象。数字温度传感器须注意浸在液面下，约2cm，一半露在蒸气中，这样，溶液沸腾时，在气泡的带动下，使气体不断喷向传感器，能较准确的测量周围环境的温度。这样测得的温度就能较好地代表气液两相的平衡温度。34仪器与药品沸点仪 1套阿贝折射仪 1台稳流电源（2A） 1台超级恒温槽 1台吸液管（干燥） 20支图34 沸点仪数字温度计ELDC小玻璃漏斗 1只环已烷(化学纯)，乙醇(化学纯)。35实验步骤351洗净、烘干蒸馏瓶，加入20ml乙醇，按图34 装好仪器。温度传感器的头浸入液体内2cm，冷凝管C通入冷水。夹上电热丝夹，打开冷却水，擦上电源，调节稳流电源，观察加热丝上是否有小气泡逸出，电压控制在20V（约15.64V）以内，溶液会慢慢沸腾。体系中的蒸气经冷凝管冷凝后，聚于小球D中。冷凝液不断地冲刷D球，必要时可将D球中的冷凝液倾入烧瓶中，反复数次。待温度稳定后体系处于平衡状态时，记下温度及大气压，切断电源。352取样并测定组成（折光率）。用干燥的吸管自冷凝管中取出小球D内的全部气相冷凝液，用另一支干燥吸管从L口中取液相液1ml左右，分别放入带有磨口的小试管中或称量瓶中，并将试管或称量瓶置于一盛有冷水的小烧瓶或冰盘中让其冷却，防止挥发。观察阿贝折射仪上的温度是否正确，用乙醇或丙酮棉球擦试镜面，并用吹风机吹干。把待测的气相液、液相分别滴于镜面上迅速测量。每个样品测量23次，取读数的平均值。353蒸馏瓶中加入1ml环已烷，按前方法测其沸点及气、液两相折率。再依次加入1，2，3，4，5和6ml的环已烷，作同样实验。如果样品来不及分析，可将样品放入带有标号的称量瓶或小试管中，用包有锡纸的塞子塞严，放在冰水中（防止挥发）。有空时再测折射率。上述实验结束后，回收母液，用少量环已烷洗34次蒸馏瓶，注入20ml环已烷，再装好仪器，先测定纯环已烷的沸点，然后依次加入0.2，0.5，1，1.5，2，2.5，3，4，5ml的乙醇，分别测定它们的沸点及气、液两相样品的折射率。欲知气、液两相乙醇（或环已烷）的质量%浓度，需要作一标准的工作曲线（折射率-成分图），用内插法在图上找出折射所相应的成分。质量%浓度的配制方法如下：洗净并烘干8个小滴瓶，冷却后准确称量其中的6个。然后用带刻度的移液管分别加入1、2、3、4、5、6ml的乙醇，分别称量其质量。再依次分别加入6、5、4、3、2、1ml的环已烷，再称量。旋紧盖子后摇匀。另外两个空的滴瓶中分别加入纯环已烷与纯乙醇。在恒温下同时测定这些样品的折射率。36数据处理361以折射率为纵坐标，乙醇质量%浓度为横坐标，作出工作曲线，并用内插法在工作曲线上找出各样品的成分。362将气、液两相平衡时的沸点、折射率、成分等数据列表。363作沸点气、液成分图，并求出最低恒沸点及相应的恒沸混合物的成分。乙醇+环己烷/ml0123456气相液1.36351.36361.36821.37741.38801.39861.3942液相液1.36411.36231.36851.36941.37511.38311.3948沸点/78.275.472.569.066.265.164.8环己烷+乙醇11.522.53456气相液1.45301.40651.40501.40241.40051.39951.37011.4220液相液1.42401.42241.41671.40941.40231.39551.38881.4214沸点66.665.064.263.762.762.062.562.4利用Origin软件作出交点坐标，环己烷-乙醇体系共沸温度为64.57，共沸组成环己烷质量分数为71.7%。38思考题381沸点仪中D贮槽过大或过小，对测量有什么影响？答：若体积过大，冷凝回流回来的液体不能回到溶液中，使得所测得的不是此溶液的气相组成，而是偏向于分馏，影响实验结果；若体积过小，则小球室里面的液体量不足，不够测2次（或有些实验要求测3次）折射率，从而会加大实验的偶然误差。382平衡时，气液两相温度是否应该一样？实际是否一样？对测量有何影响？答：不一样，由于仪器保温欠佳，使蒸气还没有到达冷凝小球就因冷凝而