双液系的气－液平衡相图 - 环境科学与工程学院.docx

实验二 双液系的气一液平衡相图1. 实验目的(1) 绘制在下环己烷一乙醇双液系的气一液平衡相图了解相图和相律的基本 概念；(2) 拿握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法；(3) 掌握用折光率确定二元液体组成的方法2. 实验原理(1) 气一液相图两种液态物质混合而成的二组分体系称为双液系两个组分若能按任意比例 互相融解，称为完全双液系液体的沸点是指液体的蒸汽压与外界压力相等吋的 温度在一定的外压下，纯液体的沸点有其确定值但双液系的沸点不仅与外压 有关，而且还与两种液体的和对含量有关根据定律自由度=组分数一相数+2因此，一个以气一液共存的二组分体系，其自由度为2只要任意再确定一 个变量，整个体系的存在状态就可以用二维图形来描述在一定温度下， 可以画出体系的压力P和组分x的关系图这就是相图在T-x相图上，还有 温度、液相组成和气和组成三个变量，但只有一个口由度一旦设定为某个变量, 则其他两个变量必有相应的确定值如下图以苯一甲苯体系为例表明，温度T 这一水平线指出了在此温度时处于平衡的液相组分x和气相组分y的相应值在恒压下完全互溶双液体系的沸点与组成关系有下列三种情况：溶液沸点介 于二纯组分之间，如四氯化碳和环己烷、水和甲醇等构成的二组分液系，见图I, (a),此时溶液行为符合拉乌尔定律或对拉乌尔定律的偏差不大；溶液有最低 恒沸点，如环己烷■乙醇、水■乙醇双液系，见图1, (b),此时溶液行为对拉乌尔定律产生较人负偏差；溶液有最高恒沸点，如氯化氢和水、硝酸和水、内酮和 氯仿等构成的双液系，见图1，(c),此吋溶液行为对拉乌尔定律产生较大正 偏差。

通常，测定一系列不同配比溶液的沸点及气、液两相的组成，就可以绘制气 —液体系的相图压力不同时，双液系相图将略有差异本实验要求将外压校正 到标准压力(a)图1完全互溶双液系的气■液平衡(八兀)(C)相图图2沸点测定仪示意图(2) 沸点测定仪各种沸点仪的具体构造虽各有特点，但其设计思想则都集中于如何正确测定 沸点、便于取样分析、防止过热及避免分饰等方而本实验所用的沸点仪如图2 所示•这是一只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象样品电流经变压器和粗导线通过浸于溶液中的电热丝 这样既可以减少溶液沸腾吋的过热现象，还能防止暴沸小玻璃管有利于降低周 囤环境对温度计读数可能造成的波动3) 组成分析本实验选用的环己烷和乙醇，两者折光率札I差颇人，而折光率测定又只需要 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数字 式阿贝折光仪的工作原理及使用方法见仪器说明书3・仪器和试剂沸点测定装置1套；Abbe折光仪(棱镜恒温)1台；玻璃水银温度计(50〜100°C,分度值0. 1 °C ) 1支；玻璃温度计(0〜100°C,分度值1°C) 1支；调压变压器(0. 5kVA) 1台；超级恒温水浴1台；烧杯(50ml, 100ml) 各一只长滴管10支环己烷(分析纯)；无水乙醇(分析纯)；丙酮(A.R.)；镜头纸。

实验室预先配置环己烷一乙醇系列溶液，以环己烷摩尔分数计大约为0. 05,0. 15, 0. 30, 0. 45, 0. 55, 0. 65, 0. 80,和 0.954. 实验步骤(1) 工作曲线绘制① 配制环己烷摩尔分数为 0. 10, 0. 20, 0. 30, 0. 40, 0. 50, 0. 60, 0. 70,0. 80, 0. 90的环己烷一乙醇溶液各10mlo计算所需环己烷和乙醇的质量，并用 分析天平准确称取为避免样站的挥发带來的误差，称量应尽可能迅速各个溶 液的确切组成可按实际称样结果精确计算② 调节超级恒温水浴温度，使阿贝折光仪的温度计读数保持在某以定值测 量上述9个溶液以及乙醇和环己烷的折光率为适应季节的变化，可选择若干个 温度进行测定，通常可为25°C, 30°C, 35°C等③ 用较大的坐标纸绘制若干条不同温度下的折光率一组成工作曲线2) 安装沸点仪如图2所示，将干燥的沸点仪安装好检查带有温度计的软木塞是否塞紧，电热丝要靠近烧瓶底部的中心温度计水银球的位置应处在支管之下，但 至少要高于电热丝2cm3) 测定无水乙醇的沸点将沸点仪洗净、烘干，借助玻璃漏斗由支管加入无水乙醇使液面达到温 度计水银球的中部。

注意电热丝应完全浸没于溶液中打开冷却水，接通电源 用调压变丿玉器由零开始逐渐加大电压，使溶液缓慢加热液体沸腾后，再调节电 压和冷却水流量，使液体能自小玻璃管喷溢，而蒸汽在冷凝管中回流的高度保持 在2cm左右测温温度计的读数稳定后应再维持3〜5刃加以使体系达到平衡在 这过程中，不吋将小球中凝聚的液体倾入烧瓶记下温度计的读数和露茎温度， 并记录大气压力4) 取样并测定切断电源，停止加热用盛有冰水的250ml烧杯套在沸点仪底部使体系冷却 用干燥滴管自冷凝管口伸入小球，吸取其中全部冷凝液用另一支干燥滴管由支 管吸取圆底烧瓶内的溶液约lmlo上述两者即可认为是体系平衡吋气、液两相的 样品样品可以分别存在带磨口塞的试管中试管应放在盛有冰水的小烧杯中， 以防止挥发样品的转移要迅速，并应尽早测定其折光率操作熟练后，也可将 样品直接滴在折光仪毛玻璃上进行测定最后，将溶液倒入指定的贮液瓶5) 系列环己烷一乙醇溶液以及环己烷的测定按上述第三、四点所述步骤逐一测定各溶液的沸点及两相样品的折光率 如操作正确，系列溶液可回收供其它同学使用；测定后沸点仪也不必干燥测定 环己烷前，必须将沸点仪洗净并充分干燥6) 用所测实验原始数据绘制沸点一组成草图，与文献值比较决定是否必要重新 测定某些数据。

5. 数据处理(1) 沸点温度校正① 正常沸点在//下测得的沸点称为正常沸点通常外界床力并不恰好等于101. 325kP&, 因此，应对实验测得值作压力校正校正式系从特鲁顿(Trouton)规则及克劳 修斯一克拉贝龙(Clausius—ClapeyTon)方程推导而得273. 15+/a/°C) (101325 —p/Pa)△(压/ C = x 10 101325② 温度露茎校正在作精密的温度测量时，需对温度计读数作校正除了温度计的零点和刻 度误差等因索外，还应作露茎校正这是由于玻璃水银温度计未能完全置于被测 体系而引起的根据玻璃与水银膨胀系数的差杲，校止值计算式为：A^=l. 6xl0f© —仙)式中S为露茎部位的温度值；h为露出在体系外的水银柱长度，即温度计的 观测值与沸点仪软木塞处温度计读数Z差，并以温度差值作为长度单位③ 经校正后的体系正常沸点应为r沸=匚+&压+&露④ 根据乙醇和环己烷的沸点判断是否需要对温度计零点和刻度作校正2) 未知溶液的组成按折光仪工作温度，从对应的折光率一组成工作曲线查得将乙醇、环己烷 以及系列溶液的沸点和气、液两项组成列表并绘制环己烷-乙醇的温度一组成相 图。

从相图上可以确定最低恒沸点和恒沸物组成3) 文献值①环己烷一乙醇体系的温度一组成相图见图3图3环已烷-乙醇体系的温度-组成相图②标准压力下的恒沸点数据表1标准圧力下环己烷一乙醇体系相图的恒沸点数据沸点/ °C酒精质虽分数/ °Cx环己烷64.940/64.829.20. 57064.831.40. 54564.930.50. 555③环己烷一乙醇体系的折光一组成关系表2 25°C吋环己烷一乙醇体系的折光率一组成关系x乙醇x环己烷25 n D1.000.01. 359350. 89920. 10081. 368670. 79480. 20521. 377660. 70890. 29111.384120. 59410. 40591.392160. 49830. 50171. 398360. 40160. 59841.403420. 29870. 70131. 408900. 20500. 79501.413560. 10300. 89701.418550. 001.001.423386 ••注意事项(1) 测定折光率时，动作应迅速，以避免样品中易挥发组元损失，确保数据准 确；(2) 电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热，否则电热丝易烧断或燃烧着火;(3) 注意一定要先加溶液，再加热；取样吋，应注意切断加热丝电源；(4) 每种浓度样殆其沸腾状态应尽量一致。

即气泡“连续”、“均匀”、冒岀 为好，不要过于激烈也不要过于慢测定纯环己烷、纯乙醇沸点吋必须保证沸点 以内干燥；(5) 先开通冷却水，然后开始加热，系统真正达到平衡后，停止加热，稍冷却后 方可取样分析7.思考题(1) 在测定沸点时，溶液过热或出现分饰现象，将使绘出的相图图形发生什么变 化？(2) 讨论丿玉力一组成札I图和温度一组成相图的关系3) 试推导沸点的压力校正公式4) 讨论本实验的主要误差来源8・评注启示(1)被测体系的选择 本实验所选体系，沸点范围较为合适由图3可见，该体 系与拉乌尔定律比较存在严重正偏差作为有最小值的T-x相图，该休系有一 定的典型意义但相图的液相线较为平坦，在有限的学时内不可能将整个相图精 确绘出有些教学实验选用苯一乙醇体系，尽管其液相线有较佳极值，考虑到苯 的毒性，未予选用⑵沸点测定仪 仪器的设计必须方便于沸点和气、液两相组成的测定蒸气冷 凝部分的设计是关键之一若收集冷凝液的凹形半球容积过大，在客观上即造成 溶液的分锚；而过小则会因取样太少而给测定带来一定困难连接冷凝管和圆底 烧瓶之间的连管过短或位置过低，沸腾的液体就有可能溅入小球内；相反，则易 导致沸点较高的组分先被冷凝下来，这样一-来，气相样品组成将有偏差。

在化工 实验中，可用罗斯(Rose)平衡釜测得平衡时的温度及气、液相组成数据，效果 较好3) 组成测定可以用相对密度或其它方法进行测定，但折光率的测定快速、简 单，特别是所需样品量较少，这对于本实验特别合适不过，如操作不当，误差 比较大通常需重复测定三次应该指出，在环己烷含量较高的部分，折光率随 组成的变化率较小，试验误差将略大4) 气一液相图的实用意义只有掌握了气一液相图，才有可能利用蒸馆方法来使 液体混合物有效分离在石油工业和溶剂、试剂的产生过程中，常利用气一液相 图來指导并控制分锚、精镭的操作条件在一定圧力下的恒沸物其组成恒定利 用恒沸点盐酸可以配制容量分析用的标准酸溶液。