物化实验-双液系统的相图.pdf

DoubleDoubleDoubleDoubleFluidFluidFluidFluidSystemSystemSystemSystemofof ofofGasGasGasGasLiquidLiquidLiquidLiquid EquilibriumEquilibriumEquilibriumEquilibrium PhasePhasePhasePhase DiagramDiagramDiagramDiagram AuthorAuthorAuthorAuthor andandandand institutioninstitutioninstitutioninstitution ofofofof thethethethe reportreportreportreport PB11207027PB11207027PB11207027PB11207027zhanghengzhanghengzhanghengzhangheng SchoolSchoolSchoolSchool ofofofof LifeLifeLifeLife Sciences Sciences Sciences Sciences UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology ofofofofChinaChinaChinaChina HefeiHefeiHefeiHefeiCity AnhuiCity AnhuiCity AnhuiCity Anhui Province Province Province Province Postcode 230026Postcode 230026Postcode 230026Postcode 230026 Email zh322523 Email zh322523 Email zh322523 Email zh322523 AbstractAbstractAbstractAbstract ThisThisThisThis experimentexperimentexperimentexperiment appliesappliesappliesapplies AbbeAbbeAbbeAbbe refractometerrefractometerrefractometerrefractometer totototo measuremeasuremeasuremeasure waterwaterwaterwater CH CH CH CH3 3 3 3CHCHCHCH2 2 2 2CHCHCHCH2 2 2 2OHOHOHOH bi liquidbi liquidbi liquidbi liquid systemsystemsystemsystem inin in in differentdifferentdifferentdifferent concentrationsconcentrationsconcentrationsconcentrations andandandand boilingboilingboilingboiling pointspointspointspointsononononthethethethe designateddesignateddesignateddesignated concentrations concentrations concentrations concentrations WithWithWithWith thethethethe boilingboilingboilingboiling pointpointpointpoint regulatedregulatedregulatedregulated andandandand thethethethe correspondencecorrespondencecorrespondencecorrespondence ofofofof boilingboilingboilingboiling pointspointspointspoints andandandand thethethethe refractiverefractiverefractiverefractive indexindexindexindex known known known known wewewewe cancancancan getgetgetget thethethethe relationalrelationalrelationalrelational graphgraphgraphgraph betweenbetweenbetweenbetween thethethethe bi liquidbi liquidbi liquidbi liquid system system system system gasgasgasgas phasephasephasephase asasasas wellwellwellwell asasasas lipidlipidlipidlipid phasephasephasephase andandandand thethethethe boilingboilingboilingboiling points points points points thenthenthenthen wewewewe cancancancan acquireacquireacquireacquire thethethethe minimumminimumminimumminimum azeotropicazeotropicazeotropicazeotropic pointpointpointpoint fromfromfromfrom thethethethe graph graph graph graph KeywordsKeywordsKeywordsKeywords waterwaterwaterwater CH CH CH CH3 3 3 3CHCHCHCH2 2 2 2CHCHCHCH2 2 2 2OHOHOHOHbi liquidbi liquidbi liquidbi liquid systemsystemsystemsystem AbbeAbbeAbbeAbbe refractometerrefractometerrefractometerrefractometergas liquidgas liquidgas liquidgas liquid equilibriumequilibriumequilibriumequilibrium phase graphphase graphphase graphphase graph lowestlowestlowestlowestconstantconstantconstantconstant boilingboilingboilingboiling pointpointpointpoint 前言 前言 本实验用沸点仪测定在一大气压下水本实验用沸点仪测定在一大气压下水 正丙醇双液系的气液正丙醇双液系的气液 平衡相图 确定其最低恒沸点温度及恒沸混合物的组成 平衡相图 确定其最低恒沸点温度及恒沸混合物的组成 在常温下在常温下 两液态物质混合而成的体系称为双液系两液态物质混合而成的体系称为双液系 两液体若只两液体若只 能在一定比例范围内互相溶解能在一定比例范围内互相溶解 称为部分互溶双液系称为部分互溶双液系 若两液体能以若两液体能以 任意比例相互溶解 则称为完全互溶双液系 任意比例相互溶解 则称为完全互溶双液系 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 在一定的外在一定的外 压下压下 纯液体的沸点有确定的值纯液体的沸点有确定的值 但对于双液系来说但对于双液系来说 沸点不仅与外沸点不仅与外 压有关压有关 而且还与双液系的组成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即与双液系中两种液体的相对 含量有关 含量有关 双液系在蒸馏时具有另一个特点是双液系在蒸馏时具有另一个特点是 在一般情况下在一般情况下 双液系的气双液系的气 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 使双液系中的两液体互相分离 通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相 液相组成作通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相 液相组成作 图 所得图形称为双液系图 所得图形称为双液系 T T x x 相图 在一定温度下还可画出体系的相图 在一定温度下还可画出体系的 压力压力 P P 与组成的与组成的 P P x x 关系图 完全互溶双液系在恒定压力下的气液关系图 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 平衡相图可分为三类 如果溶液与拉乌尔定律的偏差不大 在如果溶液与拉乌尔定律的偏差不大 在 T T x x 图上 溶液的蒸汽图上 溶液的蒸汽 压和沸点介于压和沸点介于 A A B B 两纯组分蒸汽压及沸点之间两纯组分蒸汽压及沸点之间 如甲苯如甲苯 苯体系苯体系 图图 5 5 1 1 所示 为第一类 所示 为第一类 实际溶液由于实际溶液由于 A A B B 两组分的相互影响 常与拉乌尔定律有较大的偏两组分的相互影响 常与拉乌尔定律有较大的偏 差 在差 在 T T X X 图上可能有最低和最高点出现 如图 图上可能有最低和最高点出现 如图 5 5 2 2 5 5 3 3 所示所示 这些点称为恒沸点这些点称为恒沸点 其相应的溶液称为恒沸点混合物其相应的溶液称为恒沸点混合物 恒沸混恒沸混 合物蒸馏所得的气相与液相的组成相同合物蒸馏所得的气相与液相的组成相同 如如 盐酸盐酸 水体系具有最高水体系具有最高 恒沸点 为第二类 正丙醇恒沸点 为第二类 正丙醇 水等体系具有最低恒沸点 为第三类水等体系具有最低恒沸点 为第三类 外界压力不同时外界压力不同时 同一双液系的相图也不尽相同同一双液系的相图也不尽相同 所以恒沸点和所以恒沸点和 恒沸点混合物的组成还与外压有关恒沸点混合物的组成还与外压有关 一般在未注明压力时一般在未注明压力时 通常都指通常都指 外压为标准大气压的值 外压为标准大气压的值 1 1 大气压或大气压或 101325Pa101325Pa 完全互溶体系的一种蒸馏相图完全互溶体系的一种蒸馏相图完全互溶体系的一种蒸馏相图完全互溶体系的一种蒸馏相图完全互溶双液系的另两种类型相图完全互溶双液系的另两种类型相图完全互溶双液系的另两种类型相图完全互溶双液系的另两种类型相图 从相律来看从相律来看 对二组分体系对二组分体系 当压力恒定时当压力恒定时 在汽液二相共存区域中在汽液二相共存区域中 自由度等于自由度等于 1 1 若温度一定若温度一定 汽液两相成分也就确定汽液两相成分也就确定 当总成分一定当总成分一定 时时 由杠杆原理知由杠杆原理知 两相的相对量也一定两相的相对量也一定 反之反之 在一定的实验装置在一定的实验装置 中中 利用回流冷凝的方法保持气液两相相对量一定利用回流冷凝的方法保持气液两相相对量一定 则体系的温度恒则体系的温度恒 定定 此时此时 取出两相中的样品取出两相中的样品 用物理方法或化学方法分析两相的成用物理方法或化学方法分析两相的成 分分 可给出在该温度时气液两相平衡成分的坐标点可给出在该温度时气液两相平衡成分的坐标点 改变体系的总成改变体系的总成 分分 再如上法可找出另一对坐标点再如上法可找出另一对坐标点 这样测得若干对坐标后这样测得若干对坐标后 分别按分别按 气相点和液相点连成气相线和液相线 即得双液系的气相点和液相点连成气相线和液相线 即得双液系的 T T X X 相图 相图 本实验通过作出相图本实验通过作出相图 对于液体分子间相互作用以及液体分馏提对于液体分子间相互作用以及液体分馏提 纯都具有重要意义 纯都具有重要意义 实验部分 实验部分 一 一 实验仪器及药品实验仪器及药品 沸点仪1 套阿贝折射仪1 台 调压变压器1 只超级恒温水浴1 台 水银温度计 50 100 分度为 0 1 1 支 0 50 分度为 0 1 1 支 10mL 20mL 移液管各 1 支 干燥吸管20 30 支擦镜纸 正丙醇 纯度 99 5 H2O 二 二 实验装置图实验装置图 沸点仪装置图 A 盛液容器B 测量温度计C 小玻管D 小球 E 电热丝F 冷凝管G 温度计L 支管 三 三 三 三 实验原理实验原理实验原理实验原理 1 沸点仪的构造及沸点的测定 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 下来的汽相样品 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 丝截制而成的电加热丝 直接浸入溶液中加热 以减少溶液沸腾时的过热暴沸现象 温 度计安装时须注意使水银球一半浸在液面下 一半露在蒸气中 并在水银球外围套一小 玻璃管 C 这样 溶液沸腾时 在气泡的带动下 使气液不断喷向水银球而自玻璃管上 端溢出 小玻璃管 C 还可减少沸点周围环境 如空气流动或其它热源的辐射 对温度计 读数可能引起的波动 因此这样测得的温度就能较好地代表气液两相的平衡温度 分析平衡时气相和液相的组成 须正确取得气相和液相样品 沸点仪中蒸气的分馏作用 会影响气相的平衡组成 使取得的气相样品的组成与气液平衡时的组成产生偏差 因此 要减少气相的分馏作用 本实验中所用沸点仪是将平衡时的蒸气凝聚在小球 D 内 在容 器 A 中的溶液不会溅入小球 D 的前提下 尽量缩短小球 D 与大球 A 的距离 为防止分 馏 尽量减少小球 D 的体积即可达此目的 为了加速达到体系的平衡 可把 D 球中最 初冷凝的液体倾回到容器 A 中 2 沸点的测定 用玻璃水银温度计测量溶液的沸点 如图 5 5 固 定在沸点仪上的水银温度计是全浸式的 使用时除 了要对温度计的零点和刻度误差等因素进行校正 外 还应作露茎校正 这是由于温度计未能完全置 于被测体系中而引起的 根据玻璃与水银膨胀系数 的差异 校正值的计算式为 t 露 1 6 10 4 n t观 t环 校正的方法是在测量沸点的温度计 B 旁再固定一 支同样精度的温度计 G G 的水银球底部应置于测 量温度计沸点稳定值至固定温度计橡皮塞露出那 一段水银柱的中部 读沸点时同时读取温度计 G 上的读数 得到温度t观和t环 在测量过程中 由 于组成的变动 t观也在变动 因此温度计 G 的位 置也应随着沸点稳定值而进行调整 始终让其置于 温度计 B 露出水银柱的中部 式中的n是露出那 段水银柱的长 1 6 10 4是水银对玻璃的相对膨胀 系数 沸点除了要进行露茎校正外 还需要进行压力校 正 标准大气压下 P 760mmHg 或 101325Pa 测得的沸点为正常沸点 实际测量时 压力一般都不恰好为标准大气压 应用特鲁顿规则及克劳修斯 克拉贝龙公式 可得溶 液沸点随大气压变动而变动的近似值 tC tCPPa 27315 10 101325 101325 校正后 溶液的正常沸点为 t沸 t观 t压 t露 沸点仪 A 盛液容器 B 测量温度 计 C 小玻管 D 小球 E 电 热丝 F 冷凝管 G 温度计 L 支管 温度计露茎校正示意图 四 实验步骤 四 实验步骤 四 实验步骤 四 实验步骤 1 调节恒温槽温度并使其稳定 使阿贝折射仪上的温度稳定在 30 0 2 用纯水校正 阿贝折射仪 2 安装沸点仪 将烘干的沸点议按图安装好 注意带有温度计和加热丝的橡皮塞要塞紧 不要触及烧瓶底部 温度计和加热丝之间要有一定距离 装上辅助温度计 G 3 测蒸馏水的沸点 用 20mL 的移液管从支管 L 往烧瓶中加入正丙醇溶液 40mL 夹上电 热丝 打开冷却水 插上电源 调节变压器电压由零慢慢增加 电压控制在 20V 以内 溶液会慢慢沸腾 达到沸点时 调整 G 温度计到正确位置 再稳定 5 7 分 准确记下温 度计上 t观和 t环 并记下橡皮塞处温度计的读数 切断电源 4 取样并测定组成 折射率 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 口中取液相液约 1mL 左右 分别放入带有磨口的小试管中 并 置于一盛有冷水的小烧瓶中冷却 防止挥发 用折射仪测定折射率 每个样品测量 2 3 次 取读数平均值 5 用移液管移取正丙醇 0 5mL 从支管 L 加入到烧瓶中 测量新体系液相 气相的折射率以 及平衡时的 t观和 t环 6 依次向烧瓶中加入 1mL 1 5mL 2mL 4mL 10mL 20mL 的水 逐一进行测量 分别得到不 同组成时的气相 液相的折射率及各自的沸点 7 实验结束后 拆除实验仪器 整理好实验台 结果与讨论 结果与讨论 结果与讨论 结果与讨论 一 一 一 一 结果 结果 结果 结果 020406080100 86 88 90 92 94 96 98 100 X C3H9OH gas phase liquid phase 从图中读出最低恒沸点时正丙醇的组成为 74 14 最低恒沸点 温度为 87 33 而理论上正丙醇 水体系最低恒沸点在 87 正丙醇百分含量 在 69 71 可见实验测得的最低恒沸点比较准确 而正丙醇的 组成测量误差较大 二 二 二 二 误差分析及实验总结 误差分析及实验总结 误差分析及实验总结 误差分析及实验总结 1 沸点仪中蒸气的分馏作用会影响气相的平衡组成 使得气 相样品的组成与气液平衡时气相的组成产生偏差 因此要减 少气相的分馏作用 2 一定要等体系气液达平衡时再读取温度值 取样前一定要 先断电 T 3 一定要使温度计竖直 否则读数不准确 4 加热电压不能过大 否则会加速正丙醇挥发 易暴沸 5 沸点仪中没有装入溶液之前绝对不能通电加热 如果没有 溶液 通电加热丝后沸点仪会炸裂 6 一定要在停止通电加热之后 方可取样进行分析 7 加热丝不能保证完全均匀加热 导致挥发的成分在沸点 仪中也不是均匀的 8 在加热过程中 收集气相的小球直接与外界相通 尽管 有冷凝水 但正丙醇的挥发是不可避免的 9 取液体的时候若取得较多 可能会导致 浓度变化较大 尤其在开始时 而使图像上的点变化较大 结果也就不太精 确 10 实验中测定双液系组分是利用其折射率得到的 因而在 使用阿贝折射仪测量时会有调节误差 通过多次测量求平均值可 减小偶然误差 11 若加热的时间过长 会造成气相成分逸失 12 加热易暴沸 气相中正丙醇的含量偏多 因此加热电压 要小 13 取液体时 不应加热 若加热 当先取气相成分 再取 液相时 会有液相成分挥发 此时挥发的气相成分和取液前不同 14 由于折射率与温度 因此在测量时要保持阿贝折射仪温 度恒定 但折射仪的温度有一定波动 0 2 可能会使测得 的折射率产生些许偏差 15 理论上 沸点仪中的气相应该为水蒸汽和正丙醇的混合 气体 但本实验中 实验装置是与大气相通的 有空气进入体系时 会对结果产生一定影响 16 阿贝折射仪在使用前应先校准 可以用纯水校准 纯水 折射率为 1 3325 实际上 测纯水的折射率相当于校准 17 阿贝折射仪用完后都是用滤纸擦干 但这必定会造成溶 液的残留 会带来误差 尤其从高浓度向的浓度测量时 18 引起误差很大的一方面原因是仪器 阿贝折射仪 的不 稳定性 对同一组溶液的测量 两次测都会有一定的偏差 19 在测的过程中 因为是室温较高 尽管有冷水降温 但 正丙醇仍很容易挥发 若取液体后 放的时间长则很容易导致浓 度的变化 综上几点因素 使得实验结果与理论值之间存在一定差 距 但从双液系 T x 相图来看 基本与理论要求的一致 参考文献 参考文献 参考文献 参考文献 物理化学实验 物理化学实验 物理化学实验 物理化学实验 崔献英等编著崔献英等编著崔献英等编著崔献英等编著中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社 物理化学 物理化学 物理化学 物理化学 傅献彩傅献彩傅献彩傅献彩 等编等编等编等编高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社 普通化学原理 普通化学原理 普通化学原理 普通化学原理 华彤文华彤文华彤文华彤文 等编等编等编等编北京大学出版社北京大学出版社北京大学出版社北京大学出版社 附 数据处理附 数据处理附 数据处理附 数据处理 向正丙醇中加水数据来自才源向正丙醇中加水数据来自才源向正丙醇中加水数据来自才源向正丙醇中加水数据来自才源 室温室温 15 615 6 室内大气压强 室内大气压强 76 340cmHg 101787Pa76 340cmHg 101787Pa76 340cmHg 101787Pa76 340cmHg 101787Pa 1 1 1 1 折光仪的校正 折光仪的校正 29292929 时蒸馏水的标准折射率为 时蒸馏水的标准折射率为 1 33211 33211 33211 3321 实验测得折射率为实验测得折射率为1 3323 3 1 33231 33231 3323 误差误差 0 0002 0 0002 2 2 沸点校正 沸点校正 露茎校正 露茎校正 t t露 露 1 6 0 0001 n 1 6 0 0001 n t t观 观 t t环 环 n n 是露出那段水银柱的长是露出那段水银柱的长 以温差为单位 以温差为单位 压力校正 压力校正 t t压 压 273 15273 15 t t 观 观 10 101325 10 101325 P P 101325 101325 P P 为所测大气压为所测大气压 t t沸 沸 t t观 观 t t压 压 t t露露 将三次测得的将三次测得的 t t 观和观和 t t 环结果平均值及对应的环结果平均值及对应的 t t压压 t t露露和最终和最终 结果结果 t t 沸列表如下沸列表如下 t t 观观 t t 环环 n n t t露露 t t压压 t t沸沸 水 中 加水 中 加 正丙醇正丙醇 98 1698 16 97 9297 92 95 8095 80 94 3594 35 91 5091 50 18 0318 03 18 2118 21 18 1018 10 18 1918 19 18 5018 50 31 2031 20 30 9830 98 29 3029 30 27 9527 95 25 4025 40 0 400 40 0 400 40 0 360 36 0 340 34 0 300 30 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 98 3998 39 98 1598 15 95 9995 99 94 5294 52 91 6391 63 89 5089 50 87 8887 88 87 6987 69 18 4018 40 18 4518 45 17 4117 41 23 9023 90 22 7822 78 23 5923 59 0 270 27 0 250 25 0 260 26 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 89 6189 61 87 9787 97 87 7787 77 正 丙 醇正 丙 醇 中加水中加水 96 2096 20 94 4894 48 92 2592 25 90 0190 01 88 5088 50 87 6987 69 87 2987 29 87 2287 22 18 6718 67 17 1817 18 17 6017 60 17 2217 22 17 2117 21 17 5617 56 19 4719 47 18 6318 63 30 3330 33 27 1027 10 26 2526 25 24 0624 06 22 3422 34 21 4921 49 21 1821 18 21 1821 18 0 380 38 0 340 34 0 320 32 0 280 28 0 250 25 0 240 24 0 240 24 0 240 24 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 17 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 0 16 96 4196 41 94 6594 65 92 4092 40 90 1290 12 88 5988 59 87 7787 77 87 3787 37 87 3087 30 3030 时时折光率折光率 浓度曲线浓度曲线 020406080100 1 33 1 34 1 35 1 36 1 37 1 38 C Polynomial Fit of Data1 C T T T T沸沸 气相折射率气相折射率 0 0002 0 0002 0 0002 0 0002 平均平均 值值 摩尔摩尔 分数分数 液相折射率液相折射率 0 0002 0 0002 0 0002 0 0002 平均平均 值值 摩尔摩尔 分数分数 98 3998 3998 3998 39 1 33221 33221 33221 33221 33231 33231 33231 33231 33211 33211 33211 33211 33221 33221 33221 33220 0 0 01 33211 33211 33211 33211 33201 33201 33201 33201 33221 33221 33221 33221 33211 33211 33211 3321 0 0 0 0 98 1598 1598 1598 15 1 36271 36271 36271 36271 36261 36261 36261 36261 36281 36281 36281 36281 36271 36271 36271 362742 7742 7742 7742 771 33221 33221 33221 33221 33231 33231 33231 33231 33241 33241 33241 33241 33231 33231 33231 3323 0 610 610 610 61 95 9995 9995 9995 99 1 36831 36831 36831 36831 36821 36821 36821 36821 36811 36811 36811 36811 36821 36821 36821 368254 8054 8054 8054 801 33301 33301 33301 33301 33291 33291 33291 33291 33311 33311 33311 33311 33301 33301 33301 3330 1 201 201 201 20 94 5294 5294 5294 52 1 37241 37241 37241 37241 37231 37231 37231 37231 37251 37251 37251 37251 37241 37241 37241 372465 1365 1365 1365 131 33501 33501 33501 33501 33491 33491 33491 33491 33511 33511 33511 33511 33501 33501 33501 3350 3 253 253 253 25 91 6391 6391 6391 63 1 37361 37361 37361 37361 37351 37351 37351 37351 37371 37371 37371 37371 37361 37361 37361 373668 4068 4068 4068 401 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 33741 3374 5 905 905 905 90 89 6189 6189 6189 61 1 37431 37431 37431 37431 37421 37421 37421 37421 37421 37421 37421 37421 37421 37421 37421 374270 4070 4070 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38101 38101 38101 38101 38101 38101 38101 38101 38101 38101 38101 381093 2593 2593 2593 251 38181 38181 38181 38181 38161 38161 38161 38161 38181 38181 38181 38181 38171 38171 38171 3817 97 7597 7597 7597 75 92 4092 4092 4092 401 37891 37891 37891 37891 37891 37891 37891 37891 37871 37871 37871 37871 37881 37881 37881 378885 0385 0385 0385 031 38241 38241 38241 38241 38231 38231 38231 38231 38231 38231 38231 38231 38231 38231 38231 3823 99 1099 1099 1099 10 90 1290 1290 1290 121 37701