水—正丙醇双液系的气液平衡相图

1、水正丙醇双液系的气液平衡相图 PB10。 中国科学技术大学材料科学系摘要 本实验探讨了正丙醇水双液系的气液平衡相图。利用阿贝折射仪和沸点仪分别测定体系的组成以及沸点，并利用气液平衡相图确定该体系的最低恒沸温度及恒沸混合物的组成，进一步理解分馏原理。关键词 双液系 气液平衡相图 最低恒沸点前言 双液系，即常温下两液态物质混合而成的体系，从拉乌尔定律可以看出，饱和蒸气压与其组成有关。而液体的沸点指的是液体的蒸汽压与外压相等时的温度，故而双液系的沸点不仅与外压有关还与其组成有关。要得到具体的关系可以通过其气液相图表示，即用通用几何作图的方法将双液系的沸点分别对其气相、液相作图，即Tx相图。而实际溶液

2、由于AB组分相互影响，常与拉乌尔定律有较大的偏差，在TX图中可能有最低和最高点出现，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组成相同。在本实验中，我们利用沸点仪测出混合液的沸点，用阿贝折射仪测出气相和液相混合液的折射率，进而求出其组成，最后得到正丙醇水的气液相图，进而得到恒沸点以及恒沸混合物的组成，还可以根据相图进一步理解蒸馏和精馏的原理。实验部分1、 仪器与试剂试剂：正丙醇（分析纯） 蒸馏水仪器：阿贝折射仪1台 上海电光仪器仪表有限公司 HK-2A超级恒温水浴1台 南京大学应用物理研究所 YP-2B精密稳流电源1台 南京南大万和科技有限公司 水银温度计（

3、50100，分度为0.1）1支 （050，分度为0.1）1支 10ml、20ml移液管各一只 干燥长、短吸管、小试管和小玻璃瓶 各8支 擦镜纸若干2、 实验步骤1.仪器安装于调整： 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25左右，用纯水校正阿贝折射仪。按右图所示安装沸点仪，使温度计B与加热丝之间要有一定的距离。2、从正丙醇开始测量： （1） 用50mL的移液管从支管L中加入正丙醇溶液50mL，浸没加热丝，水银温度计的水银球一半在溶液中，一半在蒸汽中。夹上电热丝夹，打开冷却水，插上电源，调节变压器电压由零慢慢增加，观察加热丝上是否有小气泡逸出，电压控制在20V以内，溶液会慢慢沸腾。

4、体系中的蒸汽经冷凝管冷凝后，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，观察B温度计上的读数达到稳定，此时体系处于平衡状态，调整G温度计到橡皮塞与读数中间处；再稳定57分钟，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。 （2）取样并测定组成（折光率）： 用干燥的滴定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，并将试管置于一盛有冷水的小烧瓶中让其冷却，防止挥发。观察阿贝折射仪上的温度是否正确，用丙酮棉球擦拭镜面，并用吹风机吹干。把待测的气相液，液相液分别滴于镜面上迅速测量。每个

5、样品测量23次，取读数的平均值。（3）不同浓度测量： 依次向烧瓶中加入0.5，1，1.5，2，2.5，4，6mL的水，仍按步骤23逐一进行测量，分别得到不同组成时的汽相、液相的折光率及各自的沸点。3、从水开始测量： 用20mL的移液管加入40mL蒸馏水，按以上方法测量水的折光率和沸点，并逐一加入0.5，1，1.5，2，4，10，20mL的正丙醇，改变体系的总组成，测量气液平衡时各个样品的折光率和沸点。结果与讨论1.正丙醇水双液系浓度与折光率间的关系 由图1图4可以知道，液体的折光率不仅与温度有关，还与液体的组成有关，而且随着溶液浓度的变化成一定的变化趋势。从水正丙醇折射率工作曲线可以查出，在3

6、0，纯水的折射率为：1.3319，正丙醇的折射率为：1.3841，从图中可以看出，水正丙醇双液系的折射率处于纯水与正丙醇之间，而且随着正丙醇浓度的增加其折射率呈增大趋势。2.正丙醇水双液系气液平衡相图分析 在图5气液平衡相图中，可观察到由正丙醇纯水体系汽相、液相的百分含量将随着正丙醇浓度的增加向着升高的方向移动，起初气液两相百分含量的读数相差较小，然后相差慢慢增加，又慢慢减小，直至相等。表示此时已达到最低恒沸点组成，此组成为最低恒沸点混合物。但是由于种种误差导致相图中的气液线并不能很好的相交，而且从图中的点可以看出有少数数据点偏离理想气液线很远，甚至在达到恒沸点前有沸点先降低再升高的现象，所以

7、为了更好的寻找到恒沸点，以及恒沸混合物的组成，采用气相和液相单独分析在组合的方法来处理数据点。 从图中可以得到恒沸点为86.40，恒沸混合物中正丙醇的质量百分比浓度为72.97%，而理论上，正丙醇纯水双液系的恒沸点在87左右，而正丙醇含量应该在6971%之间。虽然恒沸点没有太大的误差，但是恒沸混合物组成上却有较大的差异，可能是由于：1 在实验过程中，冷凝的蒸汽进入D小球，但是在达到平衡之前，虽然过程中将D中的冷凝液用吸管取出，重新收集，但D中的冷凝液并不是气液达到平衡时的气相组成，而是实验过程中所冷凝的气相，这导致所收集的气相的浓度较平衡时的浓度要小，对于气液相图有一定得影响。2 气相冷凝过程

8、中的分馏作用，对于气液两相的组成有一定的影响。3 实验中，加热丝与温度计B之间的距离也会影响到沸点。在加热丝加热过程中，加热丝上产生的热量有一部分会传递给温度计B，使得温度计实际上所测得的温度要比实际的温度要高，而对于不同的实验员影响的结果也不同，实验中是有两个人共同完成一份相图，所以相图结合时会有一些误差，而且接合处并不紧密。4 实验过程中，由于气液两相的组成一直在改变，即使达到了平衡处（沸点处）仍有少许的波动，给读数带来了一定得困难，并对于数据造成了些许误差。5 实验的温度为13.85，而理论数据是30。6 取出的液体会先放在试管或玻璃瓶中一段时间，正丙醇可能已挥发一部分。7 实验室两人合

9、作，数据的读取方面会有偶然误差。8 处理数据时是用origin在曲线上找点读数，受处理人员的主观因素影响很大，同时软件精度也有限，很难找到准确点，这个因素影响其实很大，故得到的图形只能作定性分析使用。3. 实验小结 双液系溶液沸点不仅与外压有关，而且与双液系的物质组成有关，并且在一般情况下，双液系的气相组成与液相组成并不相同。液体的折射率不仅与温度有关还与溶液的组成有关。对于双液系，其气液相图一般都含有最低点或是最高点，该点即为恒沸点。对于正丙醇纯水双液系，其折光率介于量纯物质之间，而且随着正丙醇浓度的增加，有增大的趋势，实验中测得其恒沸点为86.36，恒沸混合物中正丙醇的质量百分比浓度为74

10、.34%。分馏，即各种物质在加热冷凝过程中由于沸点不同而在冷凝液中含量不同，经过多次分馏后，可以得到近乎纯净的物质。4. 个人体会 整个实验操作比较简单，实验原理也很明确，只是数据处理时有些繁琐和难度，从最终的相图来看，实验还是较成功的。 这次实验第一次使用了阿贝折射率仪，骤然感觉到光学仪器的精密，毕竟精确到小数点后面这么多位的仪器也屈指可数的，一直以为十分复杂难测的一个相图居然只用了一个下午就把画出来了。 这次实验接触了一些新的处理数据的方法，如露茎校正等，而且还学会了不少作图技巧。参考资料1.物理化学（南京大学 物理化学教研室 傅献彩 沈文霞 姚天扬 编 2011）2.物理化学实验电子版讲

11、义（中国科学技术大学 刘光明 2012）Abstract We have exploited the liquid-vapor equilibrate phase diagram of 1-proponal and water binary liquid systems .In this experiment, an ebulliometer is used to measure the boiling points of systems with different ratios of 1-proponal to water, and a Abbe refractormeter is use

12、d to obtain the ratios by measuring the refractive indexes. By analyzing the phase diagram, we could confirm the permanent boiling point as well as the ingredient of that mixture. By the way ,we could comprehend the theory of fractionation better.附件：实验数据处理 1.实验条件： 室温t=(13.85+13.85)/2/=13.85 大气压p=（76

13、8.65+769.80)/2mmHg=769.22mmHg 查询资料可得合肥地区重力加速度为：g合肥=9.7948m/s2;水银的密度：水银=13.6g/cm3 p=0.76922×9.7948×13.6×103kPa=102.467kPa 2.沸点、折光率记录及处理（1） 由蒸馏水出发，逐步添加一定量的正丁醇1 阿贝折射仪测得蒸馏水的折射率为：1.3323 理论值：1.3319，折射率测了三次，下表中已经取平均值，并已转化为理论值处理；正丙醇水溶液工作曲线如下图(用origin可读数)用origin软件从上图可以由折射率读出正丙醇的百分含量；2 前七组数据t橡=

14、62.25，后来一组由于加的水量多，为保证水银球一半在液体中一半在气态中，故调整为t橡=60.80露茎校正:t 露/=1.6×10-4·n·(t 观-t 环)压力校正:（p=102467Pa）校正后，溶液的正常沸点为：t 沸=t 观+t 压+t 露因此，可得数据表如下：温度计B t观/温度计G t环/修正后温度t沸/气相折射率液相折射率气相百分含量 %液相百分含量 %99.9519.60100.111.33201.33190.22220.222299.6518.2099.761.35021.332121.840.515798.8517.9598.951.35451

15、.332128.640.515797.2017.2597.271.36521.333149.031.44594.4518.3094.471.37171.335463.273.40290.6017.5090.561.37401.341570.3110.2588.4016.2088.331.37551.353474.2026.6887.9017.0087.821.37501.364372.3146.78根据气相、液相的折光率及对应的正丙醇百分含量可作图1、图2如下： 图1图2（2） 由纯正丙醇（50ml）出发，逐步添加一定量的蒸馏水（以下原始数据来自吕媛媛）阿贝折射仪测得蒸馏水的折射率为：1.33

16、14 理论值：1.3319t橡=66.4，其他处理与（1）相同。温度计B t观/温度计G t环/修正后温度t沸/气相折射率液相折射率气相百分含量 %液相百分含量 %96.6515.7596.721.38171.381698.8798.1495.2515.2595.301.38021.381890.6199.1792.5815.8592.581.37851.380484.7892.3790.4815.4590.441.37691.381278.9195.5088.8515.4588.791.37591.380875.4493.5488.0016.0587.921.37591.379775.4488.8087.5815.8087.501.37551.378074.5182.7386.5515.5286.451.37531.374873.4073.00根据气相、液相的折光率及对应的正丙醇百分含量可作图3、图4如下：图3图43. 合并2中16组t沸及气相和液相的百分含量数据，并调整好顺序，用origin作出图5。序号t沸/气相百分含量 %液相百分含量 %1100.110.22220.2222299.7621.840.5157398.9528.640.5157497.2749.031.445594.4763.273.402690.5670.3110.25788.3375.226.6888