试验七十五双液系的气

实验七十五双液系的气-液平衡相图一、 实验目的（1） 用沸点仪测定常压下乙醇-环己烷的气液平衡相图；（2） 了解沸点的测定方法；（3） 掌握超级恒温水浴的使用方法；（4） 掌握阿贝折光仪的测量原理及使用方法。二、 实验原理两种在常温时为液态的物质混合起来而成的二组分体系称为双液系。若二液体按任意比例互相溶解，称为完全互溶双液系。完全互溶双液系在恒定压力下，沸点与组成关系如图75-1所示，有下列三种情况：（1）溶液沸点介于二个纯组分沸点之间，如苯与甲苯，如图（a）所示；（2）溶液有最低恒沸点，如乙醇与环己烷，如图（b）所示；（3）溶液有最高恒沸点，如卤化氢与水，如图（c）所示。A 组成一— BA 级成一一B" 级成一_ 1（a） （b） （c）图75-1沸点-组成图图75-1（b）表示有最低恒点体系的沸点-组成图，图中下方曲线是液相线，」B方曲线是气相线，等温的水平线与气、液相线交点表示该温度（沸点）时，互相平衡的气液两相的组成。它们一般是不相同的，只有M点的气液两相组成相同，M点的温度就称为该体系最低恒沸点，M点代表的组成即为该恒沸混合物的组成。绘制这类沸点-组成图，要求同时测定溶液的沸点及气液平衡两相的组成。本实验用回流冷凝法测定乙醇-环己烷溶液在不同组成时的沸点，平衡气、液相组成则利用组成与折光率之间的关系，应用阿贝折光仪间接测得。为了求出相应的组成，必须先测定已知组成的溶液的折光率，作出折光率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折光率的组成。表75-1给出了乙醇-环己烷溶液的折光率-组成数据，供作工作曲线

时米用。表75-130°C乙醇-环己烷的折光率-组成数据（环己烷组成以物质的量分数表示）x环己烷0.0000.1000.2000.4020.5000.6000.8010.9011.000nD30 1.35701.36571.37431.38901.39511.40091.41121.41581.4202三、实验仪器与试剂1、仪器沸点测定仪1套，阿贝折光仪1台，超级恒温水浴1台，温度计（50-100C,1/10C）1支，长滴管2支，电吹风1个，擦镜纸。2、实验试剂无水乙醇（分析纯），环己烷（分析纯）。四、实验步骤1、 安装沸点仪将干燥的沸点仪如图75-2安装好。检查带有温度计的橡皮塞是否塞紧，加热用的电热丝要靠近底部中心又不得碰上瓶壁。温度计的水银球的位置在支管之下并高于电热丝1cm左右，水银球应有一半浸入溶液中。2、 溶液沸点及平衡气、液两相组成的测定从加液口处加入20mL环己烷于烧瓶中，连结好线路，打开回流冷却水，通电并调节调压变压器电压约15V，使液体加热至沸腾，观察蒸汽在冷凝管中回流的高度，不宜太高，以2cm较合适，这可通过调节电压和冷凝水的流量来控制。保持液体以恒定速度沸腾，回流一段时间，使冷凝液不断更新分馏液处的液体，直到温度计读数稳定为止。记下此刻温度即为环己烷的沸点。切断电源，停止加热，充分冷却后，用滴管分别从冷凝管下端分馏液处及加液口处取样，用阿贝折光仪测定气相、液相的折射率。在20mL环己烷中依次添加0.5mL、1mL、2mL、5mL、5mL无水乙醇按上述方法测定各溶液沸点及平衡气、液相的折光率。实验结束后，把沸点仪中的溶液倒入废液回收瓶中，用电吹风把烧瓶及电热丝吹十，再按好装置。注入20mL乙醇，测其沸点，再依次加入1mL、2mL、5mL环己烷，同样按上述方法测定各溶液沸点及平衡气、液相的折光率。五、 注意事项安装沸点仪时，温度传感器(或温度计)不要直接碰到加热丝。沸点测定时，电热丝应完全浸入到溶液中，否则通电加热时可能会引起有机液体燃烧。加热功率不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可，加热丝的电压不得超过20V。实验过程中必须在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。—定要使体系达到气液平衡即温度稳定后，读取沸点，停止加热，充分冷却后才能取样分析其折射率。取样后的滴管不能倒置。使用阿贝折光仪时，棱镜不能触及硬物(特别是滴管)。棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头，迅速测定，以防液体样品挥发。在测定纯液体样品时，沸点仪必须是干燥的，在整个实验中，取样管必须是干净干燥的。六、 实验记录与处理(1)将实验数据填入表2：室温：°C，大气压：Pa。表75-2乙醇-环己烷溶液沸点及平衡气、液相折射率和组成混合物体积组成沸点气相冷凝液分析液相分析环己烷V/mL乙醇V/mLt/C折光率X环己烷折光率X环己烷200—0.5—1—2—5—5环己烷V/mL乙醇V/mLt/C折光率X环己烷折光率X环己烷0201—2—5—(2)由表75-1中数据作30C时乙醇-环己烷溶液折光率-组成工作曲线。（3） 利用工作曲线由折光率确定气、液相组成填入表75-2，由表中数据绘制实验大气压下乙醇-环己烷双液系沸点-组成图，并由相图确定此双液系恒沸温度和恒沸混合物组成。（4） 文献值：标准压力下环己烷-乙醇体系相图的恒沸点为648C，恒沸混合物中环己烷的物质的量分数为0.545。七、思考题（1） 在该实验中，测定工作曲线时折光率的恒温温度与测定样品时折光率的恒温温度是否需要保持一致？为什么？（2） 在实验中，样品的加入量应十分精确吗？为什么？（3） 为什么工业上常生产95%酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获得无水酒精？（4） 试估计哪些因素是本实验的误差主要来源？参考文献[1]东北师范大学等校.物理化学实验[M].北京:人民教育出版社,2002.⑵面向21世纪教材.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2003.傅献彩等编.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2003.蒋月秀，龚福忠,李俊杰.物理化学实验[M].上海:华东理工大学出版社,2005.复旦大学编•物理化学实验（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2004.附录一数字阿贝折光仪阿贝折光仪可直接用来测定液体的折光率，定量地分析溶液的组成，鉴定液体的纯度。同时，物质的摩尔折射度、摩尔质量、密度、极性分子的偶极矩等也都可与折光率数据相关联，因此它也是物质结构研究工作的重要工具。折光率的测量，所需样品量少，测量精度高（折光率可精确到1X10-4），重现性好。所以，阿贝折光仪是教学实验和科研工作中常用的光学仪器。近年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，通常人们在科研和教学中均使用数字阿贝折光仪。在此介绍常用的WAY-1S型数字阿贝折光仪。1、数字阿贝折光仪测定液体介质折光率的基本原理当一束光从一种各向同性的介质m进入另一种各向同性的介质M时，不仅光速会发生改变，如果传播方向不垂直于m/M界面，还会发生折射现象，如图75-3所示。根据史耐尔（Snell）折射定律，波长一定的单色光在温度、压力不变的条件下，其入射角Qm和折射角&M与这两种介质的折光率〃（介质M），M介质m）成下列关系，即：Nsina=nsinp （1）阿贝折光仪是根据临界折射现象设计的，如图75-4所示。试样m置于测量棱镜P

的镜面F上，而棱镜的折光率％，大于试样的折光率〃。如果入射光I正好沿着棱镜与试样的界面F射入，其折射光为1’，入射角％=90°,折射角为凡，此即称为临界角，因为再没有比凡更大的折射角了。大于临界角的构成暗区，小于临界角的构成亮区。因此凡具有特征意义，根据（1）式，可得：sinPpsinsinPpsin90=nsinP(2)图75-3图75-3光在不同介质中的折射图75-4阿贝折光仪的临界折射显然，如果已知棱镜P的折射率np，并且在温度、单色光波长都保持恒定值的实验条件下，测定临界角凡，就可得到n。WAY-lS型数字阿贝折光仪则由角度-数字转换系统将角度量转换成数字量，再输入微机系统进行数据处理，而后以数字显示出被测样品的折射率。仪器工作原理框图见图75-5。图75-6外型结构示意图图图75-6外型结构示意图2、WAY-1S型数字阿贝折光仪主要技术参数WAY-1S型数字阿贝折光仪的外型结构如图75-6所示，当仪器与恒温水浴配套使用

时，仪器可数字显示样品的温度。折射率nD测量范围：1.3000〜1.7000折射率nD测量精度：±0.0002温度显示范围：0〜50°C3、使用方法用橡皮管将仪器上测量棱镜和辅助棱镜上保温夹套的进出水口与超级恒温槽串接起来(确保连接可靠)，恒温温度以折光仪上的温度计读数为准，一般选用(20±0.1)C或(25±0.1匹。打开仪器和恒温槽电源，此时仪器的显示窗显示0000。调节水浴温度，并开启水泵电源。打开折射棱镜部件，移去擦镜纸。检查上、下棱镜表面，用滴管滴加少量丙酮(或无水酒精)清洗镜面，必要时可用擦镜纸轻轻吸干镜面。(注意：用滴管时勿使管尖碰触镜面；测完样品后也必须仔细清洁两个镜面，但切勿用滤纸。)滴加1-2滴试样于棱镜的工作面上，闭合进光棱镜。旋转聚光照明部件的转臂和聚光镜筒，使上面的进光棱镜的进光表面得到均匀照明。图75-7准确的明暗分界

线与交叉线位置示意图通过目镜观察视场，同时旋转调节手轮，使明暗分界线落在交叉线视场中。如从目镜中看到视场是暗的，可将调节手轮逆时针旋转；如是明亮的，则顺时针旋转。明亮区域在视场的顶部。在明亮视场下旋转目镜，使视场中的交叉线最清晰。图75-7准确的明暗分界

线与交叉线位置示意图旋转目镜方缺口里的色散校正手轮，同时调节聚光镜位置，使视场中明暗两部分具有良好的反差和明暗分界线具有最小的色散。旋转调节手轮，使明暗分界线准确对准交叉线的交点(参见图75-7)。按面板上“READ”键，数秒后显示窗显示被测样品的折射率。为了数据的准确，必须按上述步骤分别测定三个样品，再取其平均值。需检测样品的温度时，可按“TEMP”键，显示窗将显示被测样品的温度。测量结束后，必须用少量丙酮(或无水酒精)和擦镜纸清洗镜面。合上折射棱镜部件前须在两个棱镜之间放一张擦镜纸。4、仪器校正仪器须定期进行校正。校正的方法是用一种已知折光率的标准液体，一般使用纯水，按上述的方法进行测定，将平均值和标准值比较。纯水的nD25=1.3325,在15C到30C之间的温度系数为-0.0001/C。如测量数据与标准值有偏差，可用工具通过色散校正手轮中的小孔，小心旋转里面的螺钉，使分划板上交叉线上下移动，然后再测量，反复进行直到测得的数据与标准值相同。5、注意事项（1） 仪器应放在干燥、空气