二组分完全互溶系统的气液平衡相图

1、二组分完全互溶系统的气液平衡相图周韬摘要：测定了乙醇-环己烷完全互溶系统的气-液平衡相图。在相图上，以环己烷占互溶系统的摩尔含量作为横坐标，以混合物的沸点为纵坐标，分别从分析纯的乙醇出发和分析纯的环己烷出发，制作出完整的混合溶液相图。实验中通过控制压力相等的条件测定相图需要的各项数据，混合物溶液各组分的含量利用折光率不同来确定。实验结果与理论值能够很好的符合。关键词：相律；折射率；沸点。1 前言图 1 文献的工作曲线许新华，王晓岗，刘梅川等人的“双液系气液平衡相图实验的新方法研究”中讨论了自制工作曲线和引用文献数据的优良，由于实验环境等因素的影响，文献值之间也会有差别，所以文献数据并不能很好地

2、反映真实情况，而自制工作曲线由于溶液配制时会挥发，准确浓度的溶液配制又有难度。另一方面气相测折光率确定组分是，由于气相冷凝液非常少，难以进行平行测定，偶然误差比较大。他们在文献中提到的解决办法是，用气相色谱法是进行微量样品分析。借鉴气相色谱实验定量配制混合样品的方法，比较精确地配制出乙醇环己烷标准组成溶液。对最后得出的实验数据用Origin处理得到如下的工作曲线（图1）：进行实验时，由于器材和时间的限制，我们采用直接引用文献数据和测定折光率的方式。最后的数据进行温度校正之后作图，得到的工作曲线依然可以很好地和文献相吻合。2实验部分2.1原理两种液态物质若能以任意比例混合，则称为二组分完全互溶混

3、合物系统。当其蒸气压与外压相当时，溶液就会沸腾，此时的温度称为沸点，沸腾的溶液也产生了气相和液相两种相数。在一定压力下，二组分完全互溶混合物系统的沸点可能有三种情况：混合物的沸点介于两种纯液体的沸点之间，这种混合物，气液两项的组成不同，可以通过精馏使系统的两个组分完全分离开；混合物有沸点极大值；混合物有沸点极小值。、两种由于实际系统严重偏离了拉乌尔定律，项负偏差很大，在相图上有沸点极大值，项的正偏差很大，会产生沸点极小值，后面两种混合物情况，难以用精馏的方式将两种液体分离开。相律，是研究相平衡的基本规律，表示平衡物系中的自由度数，相数及独立组分数之间的关系。其最普遍的表达式为f=N-R-R-P

4、+2=C-P+2。N、P分别表示描述体系的物种数和相数。f 为自由度数, 即保持体系相数及相态不变的情况下, 体系可以独立改变的强度变量数。C 为组分数, 即可以表达平衡体系所有相的最小物种个数。相图是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。为了确定二组分完全互溶混合物系统的相图，根据上面相律所述，控制溶液的压力，测定在一定要下的沸点和组成，作T（温度）x（组成）图像。在确定相图之后，对于确定该两种液体的混合物，通过测定沸点可以查看其组成，也可测定其组成了解其在一定温度下的相态。本实验中，在常压下测定物质的沸点，通过折光率来确定混合物气相和液相的组成，即可

5、以作出完整相图。折光率定义：n = c1/c2,其中c表示在不同介质里的光速。物质的折光率因温度或光线波长的不同而改变，透光物质的温度升高，折光率变小；光线的波长越短,折光率越大。作为液体物质纯度的标准，折光率比沸点更为可靠。在蒸馏两种或两种以上的液体混合物且当各组分的沸点彼此接近时，那么就可利用折光率来确定馏分的组成。因为当组分的结构相似和极性，混合物的折光率和物质的量组成之间常呈线性关。2.2实验方法主要仪器及药品仪器 沸点仪；WAY-2S数字阿贝折光仪；超级恒温槽；调压变压器；温度计（50100，1/10）1支；普通温度计（0100）1支；250mL烧杯1只；10mL针筒、1mL针筒各1

6、只；电吹风1只；滴管若干；擦镜布。试剂 环己烷（AR）；无水乙醇（AR）。图 2沸点仪实验方法安装沸点仪，同时将固定超级恒温槽的温度为30.00。沸点仪如图2所示，用乙醇环己烷混合溶液的废液洗涤沸点仪，用电吹风将仪器内部吹干，如图连接好各部分，从烧瓶的2号口倒入纯乙醇（乙醇要浸没加热丝部分），旋好玻璃塞，接通冷凝水，调节调压变压器对其加热。测定折光率。待溶液保持沸腾且温度计读数稳定之后，记录主温度计、辅助温度计以及主温度计露出烧瓶处的读数。停止加热，用烧杯盛水冷却烧瓶外表，待冷却至接近室温后，用吹干的滴管分别取残留液（烧瓶中）和冷凝液测定其在30.00的折光率，每组折光率平行测定2次。（比较两

7、者之间以及两者与纯环己烷的折光率差别，若三者在误差允许范围内相等，则继续实验）。用注射器向烧瓶中注射1mL纯环己烷，按上述步骤测定沸点和折光率（包括冷凝液和残留液）。继续向烧瓶注射3mL、5mL、5mL、7mL纯环己烷,并按相同方法测定沸点和折光率，直至冷凝液和残留液的折光率在误差允许范围内相等。用废液洗涤装置，电吹风吹干，向烧瓶中加入纯环己烷，按步骤将环己烷和乙醇的顺序反过来测定沸点和折光率。数据记录和处理下表中，表1以乙醇为主体，向其中逐步添加环己烷，表2以环己烷为主体，向其中逐步添加乙醇。两表中的组成都已环己烷所占摩尔分数表示。表 1 环己烷（2）-乙醇（1）液态混合物的气-液平衡数据环

8、己烷/mL露茎/主温/辅温/气相折射率1气相折射率2气相组成液相折射率1液相折射率2液相组成温度校正/K057.1978.3125.91.35721.357601.35721.35720351.63157.1977.0227.31.35981.35980.031.35791.35820.013350.32357.1973.4127.81.37431.37410.1981.36121.36140.047346.68357.1970.3327.31.38491.38520.3391.36461.36470.087343.57557.1967.48261.39311.39330.4671.37071

9、.37040.153340.70557.1966.3326.71.39421.39450.4851.37541.37550.214339.54955.3865.2261.39581.39550.5071.38481.38550.349338.41854.386526.71.39611.3960.5131.38871.3890.398338.211052.6164.82271.39641.39650.5221.39241.39260.456338.041052.6164.8126.61.39661.39660.5251.39531.39590.504338.03表 2 环己烷（1）-乙醇（2）液

10、态混合物的气-液平衡数据乙醇/mL露茎/主温/辅温/气相折射率1气相折射率2气相组成液相折射率1液相折射率2液相组成温度校正/K057.1780.5126.51.42031.420411.42021.42041353.860.257.1775.726.21.41341.4130.8491.41951.41950.979348.990.357.1771.626.91.40441.40470.6661.41821.41840.955344.850.557.1768.88271.40151.40150.6081.41671.4170.921342.11157.176627.31.39831.3983

11、0.5521.41411.41430.868339.20357.1765.0427.31.39741.39740.5391.40731.40740.722338.24557.1764.926.81.39681.39630.5241.40021.40040.588338.10457.1764.4326.11.39651.39680.5241.39531.39520.502337.62157.1764.42251.39621.39620.5181.39521.39520.502337.613 结果与讨论3.1结果根据表1和表2中的数据，以组成（环己烷所占质量分数）为横坐标，校正后的沸点温度为纵坐标

12、作图，各数据点间用平滑的曲线连接，得到完整的环己烷-乙醇液态混合物的气-液平衡相图（图3）。图 3 环己烷乙醇完全互溶系统气液平衡相图从表中数据分析，实验测得的共沸点为64.46，在共沸点时，环己烷的含量约为0.502至0.524之间,CRC上的共沸点为64.8，共沸点时混合物中环己烷的比例为0.5460，可以看出实验值要比文献值低。3.2讨论沸点仪中盛气相冷凝液的小球如果体积过大会导致混合物在加热过程中达到平衡耗费的时间增大，过小时盛装的液体量过少，在测定折光率时容易引进偶然误差。实验过程中应该尽量避免冷凝液挥发，但是，如果挥发，不必重新配制溶液进行测定，只需要重新加热沸腾、冷凝、取样测定即

13、可。测定纯乙醇和纯环己烷是，需要将沸点仪吹干，因为相图中需要纯组分的数据，其组成不是由折光率推算，所以纯组分应该保证液体中不含其它杂质；而混合物的测定则不需要将其吹干，因为其沸点直接测量，组分含量由折光率的测定推算。测定纯组分的沸点时，冷凝液和残留液同样为相同的纯组分，所以所测定的折光率应该相同。实验中如果两者的折光率不相同，说明纯组分中混进了其他杂质，如纯乙醇中混进环己烷，此时应该回收废液并检验所用原料的折光率是否与文献值相同，洗净并吹干装置，重新进行实验。乙醇-环己烷完全互溶组分的平衡相图如图2所示，从图中可以看出，混合物有沸点极小值，所以从理论上来说，不能通过简单的蒸馏得到两种纯组分，只

14、能通过其他手段得到。从上文的表1和表2同样可以看出，在解热至沸腾时，无论是气相冷凝液还是液相残留液，两者的折光率都与纯组分不相同，也就是说，两种液体都是乙醇和环己烷的混合物，所以不能通过简单的蒸馏得到两种纯组分。相图左侧王右侧看，在到达恒沸点之前，随着环己烷加入量的增加，混合物沸点逐渐降低，气、液两项的折光率的逐渐增加，且气相的折光率高于液相（气相中环己烷的含量多于液相）；越过恒沸点之后，随着环己烷量的增加，混合物的沸点逐渐增加，气、液两项的折光率逐渐降低，且气相的折光率式中低于液相的折光率。4 结论在系统不受广义力作用，且没有绝热壁、刚性壁和半透膜的条件下，前文提到的相律公式可以准确应用。如

15、果相与相之间有绝热壁存在, 各相的温度有可不同; 如果相与相之间有刚性壁或半透膜隔开时, 各相的压力也可能不同, 此时系统的总强度变量数增加, 自由度就比由Gibbs 相律计算的要多。此实验方法得出的相平衡图较为准确，并且实验方法简单，实验仪器并不复杂。实验测得的共沸点和环己烷所占摩尔分数都比文献值低。可能是因为环境压强不同导致实验测得的沸点比实验值要低。可见，实验中有误差导致结果与文献值有偏差。其主要的实验误差来源主要有：取样和分析不准确。试样本身纯度不够高，或者纯物质测定时混合了其他杂质，或其他会引起样品组成改变的影响的因素。环境因素的影响。在实验数据处理中对沸点进行了校正，但是当地的大气压没有进行校正，而压强对溶液的沸点会产生影响；另外，折光率与温度相关，实验种，用超级恒温槽对阿贝折光仪进行温度控制，但是，温度仍然会呈现上下波动，所以，折光率的