实验5_双液系的气液平衡相图.pdf

双液系双液系的气液平衡相图的气液平衡相图 1 引言引言 1 1 实验目的实验目的 1 用沸点仪测定常压下环己烷 乙醇的气液平衡相图 2 掌握阿贝折射仪的使用方法 1 2 实验原理实验原理 将两种挥发性液体混合 若该二组分的蒸气压不同 则溶液的组成与其平衡气相的 组成不同 在压力保持一定 二组分系统气液达到平衡时 表示液态混合物的沸点 与平衡时组成关系的相图 称为沸点和组成 T x 图 沸点和组成 T x 的关系有下列三种 1 理想液体混合物或接近理想液体混合物的双液系 其液体混合物的沸点 介于两纯物质沸点之间 见图 1 1 a 2 各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的负偏差 其溶液有最高恒沸点 见图 1 1 b 3 各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的正偏差 其溶液有最低恒沸点 见图 1 1 c 第 2 3 两类溶液在最高或最低恒沸点时的气液两相组成相同 加热蒸发的结果 只使气相总量增加 气液相组成及溶液沸点保持不变 这时的温度称恒沸点 相应 的组成称恒沸组成 第一类混合物可用一般精馏法分离出这两种纯物质 第 2 3 类混合物用一般精馏方法只能分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物 图 1 1 三类溶液相图 为了测定二元液系的 T x 图 需在气液达到平衡后 同时测定溶液的沸点 气相和 液相组成 本实验是测定具有最低恒沸点的环己烷 乙 醇双液系的 T x 图 方法是用沸点仪 图 1 2 直接测定一系列不同组成之溶液的气液平 衡温度 即沸点 并收集少量馏出液 即气相 冷凝液 及吸取少量溶液 即液相 分别用阿 贝折射仪测定其折射率 为了求出相应的组 成 必须先测定已知组成的溶液的折射率 作出折射率对组成的工作曲线 在此曲线上 即可查得对应于样品折射率的组成 2 实验操作实验操作 2 1 实验实验仪器仪器 实验使用沸点仪 调压器 阿贝折射仪 超 级恒温槽 电子温度计 滴管 放大镜 环己烷 无水乙醇 AR 各种浓度的环己 烷 乙醇混合溶液 2 2 实验条件实验条件 实验室温度 17 5 C 气压 100 7 kPa 相对 湿度 34 2 3 实验操作实验操作 1 测定溶液的折射率 配置体积比约为 1 5 2 4 3 3 4 2 5 1 的标准溶液 用阿贝 折射仪测定纯环己烷 无水乙醇及其组成的标准溶液的折射率作为折射率 组 成工作曲线 2 测定气相和液相组成 分别测定环己烷质量分数为 0 10 30 69 5 96 100 的环己烷 乙醇溶液在沸点下的液相和气相的组成 测定方法如下 接通电源 冷却水 调节调压器加热溶液至沸腾 待温度计读数恒定后 记录 温度值并停止加热 立即在小泡中取气相冷凝液 迅速测定其折射率 冷却液 相 然后将溶液搅拌均匀 用滴管取少量液相测定折射率 每测完一次折射率 打开折射仪的棱镜 干燥后才可进行下次测定 3 绘图 由实验数据绘制 T x 草图 确定补测点 2 4 注意事项注意事项 1 注意调压器标示 加热电阻丝的电压不得超过 35 V 2 温度稳定后才可取样分析 3 取样后滴管不可倒置 4 阿贝折射仪棱镜面不可触及硬物 棱镜上加入被测溶液后要立即关闭镜头 实 验中必须使用同一台阿贝折射仪 5 实验中需要在沸点仪的冷凝管中通入冷却水 使气相全部冷凝 图 1 2 沸点仪 1 冷却水入口 2 气相冷凝液贮存 小泡 3 温度计 4 喷嘴 5 电炉丝 6 调压器 3 结果与结果与讨论讨论 3 1 原始原始实验数据实验数据 表 3 1 工作曲线绘制 编号编号 瓶重瓶重 g 加入加入环己烷环己烷 g 加入加入乙醇乙醇 g 折射率折射率 n 两次读数两次读数 0 N A 否 是 1 3638 1 3638 1 32 0572 32 8049 36 7065 1 3720 1 3712 2 27 6391 29 1896 32 3079 1 3800 1 3811 3 34 6989 37 0241 39 3752 1 3922 1 3922 4 32 1569 35 2550 36 8339 1 4038 1 4041 5 33 7019 37 5649 38 3480 1 4162 1 4160 6 N A 是 否 1 4290 1 4288 注 1 第 0 组和第 6 组分别测定的是纯乙醇和纯环己烷的折射率 因此没有记录质量数据 注 2 第 2 组数据两次读数产生较大偏差 补读两次读数分别为 1 3812 1 3809 因此舍弃 1 3800 这一读数 表 3 2 沸点 组分原始数据 编号编号 环己烷环己烷质量质量分数分数 沸点沸点 t C 气相折射率气相折射率 液相液相折射率折射率 1 0 78 29 1 3635 1 3632 2 10 75 51 1 3740 1 3657 3 30 68 34 1 3972 1 3768 4 69 5 64 76 1 4050 1 3983 5 90 68 58 1 4108 1 4239 6 96 72 36 1 4162 1 4268 7 100 80 39 1 4278 1 4280 3 2 数据处理数据处理 表 3 3 工作曲线数据处理 编号编号 环己烷质环己烷质 量量 g 溶液质量溶液质量 g 环己烷质量环己烷质量 分数分数 折射率折射率 n 0 N A N A 0 1 3638 1 0 7477 4 6493 16 082 1 3716 2 1 5505 4 6688 33 210 1 3811 3 2 3252 4 6763 49 723 1 3922 4 3 0981 4 6770 66 241 1 404 5 3 8630 4 6461 83 145 1 4161 6 N A N A 100 1 4289 对于闭区间内的数据 使用多项式拟合 2 拟合得到 A 129 597 B 171 338 C 55 950 拟合度 r 0 9996534 如图 3 1 图 3 1 n x 拟合曲线 利用拟合出的曲线 可以计算出气相 液相折射率所对应的溶液组分 表 3 4 沸点 组分表格 沸点沸点 t C 气相环己烷气相环己烷含含 量量 w w 液相环己烷含液相环己烷含 量量 w w 1 78 29 0 541 0 022 2 75 51 19 627 4 642 3 68 34 57 422 24 508 4 64 76 68 776 59 065 5 68 58 76 778 93 465 6 72 36 83 889 96 900 7 80 39 98 062 98 293 根据上表 采取 Bezier 插值连接数据各点 得到环己烷 乙醇系统的 T x 相图如下 图 3 2 环己烷 乙醇双液系 T x 相图 从图中可以读出环己烷 乙醇体系的最低恒沸点为 65 00 C 此时环己烷的质量分 数为 66 71 3 3 讨论分析讨论分析 数据拟合中 拟合度 r 0 9996534 数据拟合程度较高 说明所选用拟合模型与实 际组分 折射率关系比较接近 可以用来判断给定折射率的环己烷 乙醇双液系的组 分情况 参考文献数据 2 环己烷 乙醇体系的最低恒沸点为 64 9 C 共沸时环己烷的质量 分数为 69 5 本实验中测得的环己烷 乙醇体系的最低恒沸点为 65 00 C 共沸物 中环己烷的质量分数为 66 71 二者比较接近 由于在接近沸点时溶液挥发较快 升温很慢 虽然在 3 分钟内没有温度上升 但也 可能并未处于气液平衡状态 这可能导致 T x 相图中的气相线偏低 经过测量 沸 点测量中 0 22 C 的负误差导致的折射率上的误差不足 0 02 和折射仪两次测量 间的读数误差在同一个数量级上 因此相图中质量分数的测量应当是较为准确的 而沸点数据可能偏低 如果挥发出的气相未能完全回流 会导致液相组分有比较大 的变化 这也会导致误差 4 结论结论 本次实验测定了一系列环己烷 乙醇标准溶液的折射率并绘制组分 折射率工作曲线 并 测量了一系列质量分数的环己烷 乙醇双液系在各自沸点下的气相冷凝液及液相的折射 率 根据工作曲线将折射率换算为组分 并绘制了环己烷 乙醇系统的 T x 相图 5 参考文献参考文献 1 贺德华 麻英 张连庆 基础物理化学实验 北京 高等教育出版社 2008 36 38 2 Ponton Jack September 2001 Azeotrope Databank Queriable database The Edinburgh Collection of Open Software for Simulation and Education Edinburgh University Retrieved 24 March 2007 6 附录附录 思考题 1 使用阿贝折射仪时要注意些什么问题 如何正确使用才能测准数据 使用阿贝折射仪的时候注意加液时不要划伤棱镜 为了得到准确的数据 使用阿贝折射仪的时候注意加液后要立即关闭棱镜盖以防 挥发 要微调物镜消除色差 待棱镜干燥后才可以进行下一次测量 2