实验五 挥发性双液系T.doc

实验五 挥发性双液系TX图的绘制 1.实验目的及要求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(环己烷异丙醇的TX图)。并找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。2）了解阿贝折光仪的构造原理，熟悉掌握阿贝折光仪的使用。 2.实验原理 单组分液体在一定的外压下沸点为一定值，把两种完全互溶的挥发性液体(组分A和B)混合后，在一定的温度下，平衡共存的气、液两相组成通常并不相同。因此结果在恒压下将溶液蒸馏，测定馏出物(气相)和蒸馏液(液相)的组成，就能找出平衡时气、液两相的成分并绘出TX图。 完全互溶的双液系Tx图可分为三类：液体与拉乌尔定律的偏差不大在Tx图上溶液的沸点介于A、B两纯物质沸点之间如图1(a)所示，如苯甲苯体系。实际溶液由于A、B两组分相互影响，常与拉乌尔定律有较大负偏差，在Tx图上出现最高点，如图1(b)所示，如盐酸水体系；丙酮氯仿体系等。A、B两组分混合后与拉乌尔定律有较大的正偏差，在丁X图上出现最低点如图1(c)所示，如水乙醇、苯乙醇等体系。类溶液在最高点或最低点时气液两相组成相同，这些点称为恒沸点，其相应的溶液称为恒沸点混合物，恒沸点混合物靠蒸馏无法改其组成。 ， 平衡时气液两相组成的分析，使用折射仪测定，因为溶液的折射率与组成有关。图1 完全互溶双液系的TX图 本实验选择一个具有最低恒沸点的环己烷-异丙醇体系。在101325pa下测定一系列不同组成的混合溶液的沸点及在沸点时呈平衡的气液两相的组成，绘制TX图，并从相图中确定恒沸点的温度和组成。相图中确定恒沸点的温度和组成。 测定沸点的装置叫沸点测定仪(图2)。这是一个带回流冷凝管的长颈圆底烧瓶。冷凝管底部有一半球形小室，用以收集冷凝下来的气相样品。电流通过浸入溶液中的电阻丝。这样可以减少溶液沸腾时的过热现象，防止暴沸。测定时，温度传感器要插在液面下，准确测出平衡温度。 溶液组成分析：由于环己烷和异丙醇的折光率相差较大，而折光率的测定又只需少量样品，所以，可用折光率一组成工作曲线来测得平衡体系的两相组成。阿贝(Abbe)折光仪的原理及使用详见“物理化学实验技术”。3.仪器与药品 蒸馏器1只，阿贝折光仪1台，温度传感器1支，稳流电源(2A)1台，吸液管(干燥)长短各1根，小玻璃漏斗1只，环己烷(化学纯)，异丙醇(化学纯)。 4.实验步骤1）纯液体折光率的测定 分别测定异丙醇和环己烷的折光率，重复23次。2）工作曲线的绘制 根据室温下异丙醇和环己烷的密度，精确配制若干个环己烷不同质量分数的双液系，配好后立即盖紧，依次在室温下测定各溶液的折光率(本实验中此步骤省略，同学们可直接用表1中的文献值校正后使用)，绘制工作曲线。3）沸点-组成数据的测定（1）将干燥的沸点仪按图2安装好，检查带有温度传感器的橡皮塞是否塞紧。加热用的电阻丝要尽量靠近底部中心，温度传感器的底部不能接触电阻丝，而且每次更换溶液后，要保证测定条件尽量平行（包括温度传感器和电阻丝的相对位置）。（2）溶液配置 粗略配制含异丙醇约5，lO，25，35，50，75，85，90，95质量的环己烷溶液约50Ml(已配好)。（3）测定沸点及平衡的气-液组成 在蒸馏器中加入25mL含有异丙醇约为5%的环己烷溶液，打开冷却水，同法加热使溶液沸腾。最初在冷凝管下端袋状部的液体不能代表平衡时气相的组成(为什么?)，为加速达到平衡可将袋状部内最初冷凝的液体倾回蒸馏器底部，并反复23次，待温度读数恒定再维持3-5min后记下沸点并停止加热。随即在冷凝管上口插入长吸液管吸取袋状部的蒸出液，迅速测其折光率。再用另一根短的吸液管，从蒸馏器的加料口吸出液体迅速测其折光率。迅速测定是防止由于蒸发而改变成分。每份样品需读数三次，取其平均值。实验完毕，将蒸馏器中溶液倒回原瓶。图2蒸馏器的结构图1.温度传感器；2.加料；3.加热丝 4.蒸出液取样口 5.袋状部 同法用含有异丙醇约为10，25，35，50，75，85，90，95的环已烷溶液进行实验，各次实验后的溶液均倒回原瓶中。实验过程中应注意室内气压的读数。 5 实验注意事项 1）电阻丝不能露出液面，一定要被欲测液体浸没，否则通电加热会引起有机液体燃烧。通过电流不能太大(在本实验所用电阻丝时)，只要能使欲测液体沸腾即可，过大会引起欲测液体(有机化合物)的燃烧或烧断电阻丝。 2）一定要使体系达到气、液平衡，即温度读数恒定不变。 3）只能在停止通电加热后才能取样分析。 4）使用阿贝折光仪时，棱镜上不能触及硬物(如滴管)，探棱镜时需甩擦镜纸。 5）实验过程中必须在冷凝管中通入冷却水，以使气相全部冷凝。 6 数据处理 1）溶液的沸点与大气压有关。应用特鲁(Trouton)规则及克劳修斯一克莱受龙公式可得溶液沸点随大气压变化而变化的近似式：式中Tob为在标准大气压(Po=101325Pa)下的正常沸点。异丙醇为355.5K；Tb为在实验时大气压P的沸点。 计算纯异丙醇在实验时的大气压下沸点，与实验时温度计上读得的沸点相比较，求出温度计本身误差的改正值。并逐一改正各不同浓度溶液的沸点。 2）已知293.2K时环已烷与异丙醇混合液的浓度与折光率n20D的数据如表1所示。表1异丙醇的摩尔百分数()n20D异丙醇的质量百分数()异丙醇的摩尔百分数()n20D异丙醇的质量百分数() 0 10.66 17.04 20.00 28.34 32.03 37.14 1.4263 1.4210 1.4181。1.4168 1.4130 1.4113 1,4090 0 7.85 12.79 15.54 22.02 25.17 29.67 40.4046D450.0060.0080.00100.00 1.4077 1.4050 1.4029 1.3983 I3882 1.3773 32.61 37.8S 41.65 51.72 74.O5注：摘自Jean Timmermans：(The PhysicoChemical Constants of Binary Systems)Vol2，P37(Wiley。InterscienceNew York，1959-1960)用坐标纸(或Excel)绘出n20D与质量百分数的关系曲线，根据实验测定的结果，从图上查出馏出液及蒸馏液的成分(如在实验测定折光率时的温度不是20，则应另找一条在该温度的标准曲线，或者近似地以温度每升高1，折光率降低410-4，改正到20再在图上找出相应成分)，列于表2中。 表2.2 室温 大气压 序号t(沸点)液 相气 相()nDw(异丙醇)nDw (异丙醇) 3）用以上所得数据绘制其TX图，从图求出环己烷异丙醇体系的最低恒沸点组成及其温度。环已烷的正常沸点为353.4K。 7 思考题 1）蒸馏器中收集气相冷凝液的袋状部的大小对结果有何影响? 2）蒸馏时因仪器保温条件欠佳，在气相到达袋状部前，沸点较高的组成会发生部分冷凝，这样它们的丁X图将怎样变化? 3）你认为本实验所用的蒸馏器尚有哪些缺点?如何改进?4）试估计哪些因素是本实验误差的主要来源?5）试推导沸点校正公式： 8 讨论 1）具有最低恒沸点的双液体系很多，如环己烷乙醇体系，苯乙醇体系以及本实验的环己烷异丙醇体系。上述体系中苯乙醇体系可以精确绘制出Tx图。其余体系液相线较为平坦，TX图欠佳，但苯有毒，故未选用。 2）本实验所用蒸馏器是较简单的一种，它利用电阻丝在溶液内部加热，这样比较均匀，可减少燥沸。所用电阻丝是26#镍铬丝，长度约14cm，绕成约3mm直径的螺旋圈，再焊接于14#铜丝上，然后把铜丝穿过包有锡纸的木塞(铜丝勿与锡纸接触，用锡纸包木塞可防止蒸馏时木塞中的杂质进入溶液中)。最好是用带有二孔的玻璃塞来替代木塞，把铜丝用火漆或环氧树脂固定在玻璃塞的孔上。 3）蒸馏气体到达冷凝管前，常会有部分沸点较高的组分被冷凝，因而所测得气相成分可能并不代表真正的气相成分，为减小由此引入的误差，蒸馏器中的支管位置不宜太高，沸腾液体的液面与支管上袋状部间的距离不应过远