双液系气液平衡相图的绘制(华南师范大学物化实验).doc

双液系气液平衡相图得绘制
一、实验目得
(1)用回流冷凝法测定沸点时气相与液相得组成,绘制双液系相图。找出恒沸点混合物得组成及恒沸点得温度。
(2)掌握测定双组分液体得沸点及正常沸点得测定方法。
(3)了解阿贝折射计得构造原理,熟悉掌握阿贝折射计得使用方法。
二、实验原理
2、1液体得沸点
液体得沸点就是液体饱与蒸汽压与外压相等时得温度,在外压一定时,纯液体得沸点有一个确定值。
2、2双液系得沸点
双液系得沸点不仅与外压有关,而且还与两种液体得相对含量有关。理想得二组分体系在全部浓度范围内符合拉乌尔定律。结构相似、性质相近得组分间可以形成近似得理想体系,这样可以形成简单得Tx(y)图。大多数情况下,曲线将出现或正或负得偏差。当这一偏差足够大时,在Tx(y)曲线上将出现极大点(负偏差)或极小点(正偏差)。这种最高与最低沸点称为恒沸点,所对应得溶液称为恒沸混合物。
恒定压力下,真实得完全互溶双液系得气－液平衡相图(T－x),根据体系对拉乌尔定律得偏差情况,可分为3类:
(1)一般偏差:混合物得沸点介于两种纯组分之间,如甲苯－苯体系,如图1(a)所示。
(2)最大负偏差:存在一个最小蒸汽压值,比两个纯液体得蒸汽压都小,混合物存在着最高沸点,如盐酸—水体系,如图1(b)所示。
(3)最大正偏差:存在一个最大蒸汽压值,比两个纯液体得蒸汽压都大,混合物存在着最低沸点,如水乙醇体系,如图1(c))所示。
图1、 二组分真实液态混合物气—液平衡相图(Tx图)
考虑综合因素,实验选择具有最低恒沸点得乙醇乙酸乙酯双液系。根据相平衡原理,对二组分体系,当压力恒定时,在气液平衡两相区,体系得自由度为1。若温度一定时,则气液亮相得组成也随之而定。当溶液组成一定时,根据杠杆原理,两相得相对量也一定。反之,实验中利用回流得方法保持气液两相得相对量一定,则体系得温度也随之而定。
2、3沸点测定仪
沸点测定仪利用回流得方法保持气液两相相对量一定,测量体系温度不发生改变时,即两相平衡后,取出两相得样品,用阿贝折射计测定气液平衡气相、液相得折射率,再通过预先测定得折射率组成工作曲线来确定平衡时气相、液相得组成(即该温度下气液两相平衡成分得坐标点)。改变体系总成分,再如上法找出另一对坐标点。这样得若干对坐标点后,分别按气相点与液相点连成气相线与液相线,即得Tx平衡图。
三、实验步骤
3、1乙醇乙酸乙酯溶液得折射率组成工作曲线得测绘
3、1、1折射率体积分数工作曲线。
对于乙醇乙酸乙酯等部分有机液体混合体系,当使用体积分数(φ)表示时,能得到直线得工作曲线,故只要分别准确测出25℃时纯乙醇、乙酸乙酯得折射率,将其连成直线,就得到工作曲线(nV)。
3、1、2折射率摩尔分数工作曲线。
在线上取8个点,利用乙醇、乙酸乙酯得密度合量比(%)等条件将以上点对应体积分数换算成摩尔分数,按对应得折射率重新绘点,再将点连成平滑曲线,即为工作曲线(nx)。
3、2沸点仪得安装
将沸点仪洗净、烘干。检查带温度计得软木塞就是否塞紧、电热丝就是否靠近容器底部得中心,温度计得水银球位置就是否合适。
3、3样品得测定
3、3、1溶液得配制
粗略配制乙醇体积分数为5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%组成得乙醇乙酸乙酯溶液。
3、3、2沸点得测定
自侧管假如索要测定得溶液(约20mL),其页面应在水银球得中部。打开冷凝水,接上电源,用调压变压器调节电压(约12V),将液体缓慢加热使液体沸腾,最初在冷凝管下端内得液体不能代表平衡气相得组成,为加速达到平衡,可以等小槽中气相冷凝液体收集满后,调节冷凝管得三通阀门,使冷凝液体流回圆底烧瓶,重复三次,直到温度计上得读数稳定数分钟,记录温度计得读数,同时读出环境得温度;算出露茎温度,以便进行温度校正,并读出室内大气压力。
3、3、3取样
切断电源,停止加热,在冷凝管三通小槽处放置一个标有相应浓度记号得尾接小试管,并调节冷凝管得三通阀门,使冷凝液体不再流回至圆底烧瓶,而就是流入尾接小试管中,并立即塞紧,防止其挥发;再用另一支干燥胶头滴管,从侧管处吸取容器中得溶液约1~2mL,转移到另一个小试管,也立即塞紧,两支小试管置于盛有冷水得小烧杯中保持待测,以防组分改变。在样品得转移过程中动作要迅速而仔细。并应尽早测定样品得折射率,不宜久藏。当沸点仪内液体冷却后,将该溶液自侧管倒入到指定得回收瓶中,再换另一浓度得双液体系溶液测定。
3、3、4折射率得测定
分别测定上面取得气相与液相样品得折射率。每次加样要测读两次,若读得得两个数值很接近,则取其平均值。每次加样前测量之前,必须先将折光仪得棱镜面洗净,方法就是用数滴挥发性溶剂(如丙酮)淋洗,再用擦镜纸轻轻擦去残留在镜面上得溶剂,阿贝折射计在使用完毕后也必须将镜面处理干净。
3、3、5平衡气相与液相组成得测定
根据气相折射率得数据,在工作曲线nx上分别查出平衡气相与液相得组成(x)。按上述步骤,本别测定乙醇与乙酸乙酯得沸点,以及各溶液得沸点与平衡时气相与液相得组成。
四、数据处理
4、1溶液沸点得校正
(1)由于温度计得水银未全部浸入待测温度得区域内而需进行露茎校正。
Δt露茎=Kh(t观t环)
式中,K=0、00016,就是水银对玻璃得相对膨胀系数;h为露出于被测体系之外得水银柱长度,称露茎高度,以温度差值表示;t观为测量温度计上得读数;t环为环境温度,可用辅助温度计读出,其水银球置于测量温度计露茎得中部。露茎校正后:t沸=t观+Δt露茎。
编号
乙醇体积分数/%
h/℃
t观/℃
t环/℃
Δt露茎/℃
t沸/℃
1
100
72、1
79、0
24、0
0、63
79、63
2
90
70、4
77、3
23、5
0、61
77、91
3
70
67、9
74、8
23、5
0、56
75、36
4
50
66、2
73、1
23、5
0、53
73、63
5
38
65、8
72、7
23、5
0、52
73、22
6
22
65、8
72、7
23、5
0、52
73、22
7
15
66、2
73、1
23、8
0、52
73、62
8
10
67、3
74、2
23、5
0、55
74、75
9
5
68、8
75、7
23、8
0、57
76、27
10
0
70、5
77、4
24、0
0、60
78、00
表1、露茎校正数据记录
(2)溶液得沸点与大气压有关,应用特鲁顿规则及克劳修斯克拉贝龙公式可得溶液沸点因大气压变动得近似校正公式。

式中,ΔT就是沸点得压力校正值;T沸就是溶液得沸点(均用热力学温度表示);p就是测定时得大气压,mmHg(1mmHg=133、32Pa)。
若用摄氏温标,Δt压表示沸点得压力校正值,则Δt压=Δt,由此,在1atm(1atm=101325Pa)下得溶液正常沸点为
t正常=t沸+Δt压
编号
乙醇体积分数/%
t沸/℃
t沸/K
p/mmHg
ΔT/K
t正常/℃
1
100
79、63
352、78
773、25
0、62
79、01
2
90
77、91
351、06
773、25
0、61
77、30
3
70
75、36
348、51
773、25
0、61
74、75
4
50
73、63
346、78
773、25
0、60
73、03
5
38
73、22
346、37
773、25
0、60
72、62
6
22
73、22
346、37
773、25
0、60
72、62
7
15
73、62
346、77
773、25
0、60
73、02
8
10
74、75
347、90
773、25
0、61
74、14
9
5
76、27
349、42
773、25
0、61
75、66
10
0
78、00
351、15
773、25
0、61
77、39
表2、沸点得压力校正
4、2乙醇乙酸乙酯溶液得折射率组成工作曲线得绘制
室温下,测得纯乙醇得折射率为1、3621,纯乙酸乙酯得折射率为1、3728。

4、3折射率摩尔分数工作曲线
在图2得工作曲线上选取8个点,将对应点得体积分数换算成摩尔分数。使用公式为

名称
密度ρ/(g·mL1)
相对分子质量M/(g·mol1)
乙醇
0、78506
46、07
乙酸乙酯
0、92454
88、12
表3、乙醇与乙酸乙酯得相关参数
取点编号
折射率/
体积分数φ/%
摩尔分数XB
1
1、3632
90
0、94
2
1、3642
80
0、87
3
1、3653
70
0、79
4
1、3664
60
0、71
5
1、3675
50
0、62
6
1、3685
40
0、52
7
1、3696
30
0、41
8
1、3707
20
0、29
表4、绘制折射率摩尔分数工作曲线数据记录

4、4双液系气液平衡相图得绘制
编号
乙醇体积分数/%
沸点/℃
液相折射率/
液相中乙醇得摩尔分数
气相折射率/
气相中乙醇得摩尔分数
1
100
79、01
1、3620
1
1、3617
1
2
90
77、30
1、3631
0、95
1、3646
0、85
3
70
74、75
1、3645
0、84
1、3668
0、67
4
50
73、03
1、3668
0、67
1、3680
0、57
5
38
72、62
1、3681
0、56
1、3690
0、47
6
22
72、62
1、3705
0、30
1、3696
0、40
7
15
73、02
1、3711
0、24
1、3705
0、30
8
10
74、14
1、3719
0、12
1、3710
0、25
9
5
75、66
1、3725
0、04
1、3720
0、11
10
0
77、39
1、3727
0
1、3728
0
表5、乙醇乙酸乙酯混合液测定数据

根据平衡相图,可得恒沸温度:72、60℃。恒沸组成:乙醇得摩尔分数为0、418,乙酸乙酯得摩尔分数为0、582、
五、注意事项
(1)电阻丝一定要被待测液体浸没,否则电热丝容易烧断,而且通电加热时可能会引起有机液体燃烧。
(2)所加电压不能太大,加热丝上有小气泡逸出即可。
(2)先加溶液,再加热。取样时,先停止通电再取样。
(3)每次取样量不宜过多,取样管一定要干燥,不能留有上次得残液,气相部分得样品要取干净。
(4)阿贝折射仪得棱镜不能用硬物触及,擦拭棱镜需用擦镜纸。
(5)测定折射率时,动作要迅速,尽量避免样品挥发损失,确保数据准确。
六、分析与讨论
6、1实验结果讨论
根据平衡相图,可得恒沸温度为72、60℃,乙醇得摩尔分数为0、418,乙酸乙酯得摩尔分数为0、582。查找文献资料,查得乙醇乙酸乙酯混合溶液得恒沸温度为56、9℃,乙醇得摩尔分数为0、0558,乙酸乙酯得摩尔分数为0、9442。本次得实验值与文献参考值有很大得偏差。原因之一可能就是由于实验室所提供得混合溶液不纯,可能混有除乙醇与乙酸乙酯外得其她物质。其次,本次实验测量得数据很多,每一次得测量均有可能引入误差。折射率测定、温度计读数等实验操作最好由同一实验者负责,避免出现因个体操作差异而引入得误差。烧瓶里面每更换一次溶液,为了避免引入水等其她杂质,并没有对其进行清洗,而就是考虑到乙醇与乙酸乙酯都就是挥发性液体,则采取用热风烘干得方法。这方法原则上就是可行得,但也难免有剩余得液体残留在烧瓶壁。如果实验器材允许,最好准备两个烧瓶,交替使用,将前一个使用过得烧瓶彻底弄干后等下一次测量时备用。
6、2实验改进分析
在沸点仪侧管取液相样品得时候,由于侧管孔径很窄,胶头滴管不能完全伸入,样品加入量为20mL时勉强可以取得,因此实验时一般会加入超过25mL得样品,以保证样品得正常吸取。但就是这一做法会导致试剂浪费,最好得办法应该就是配备合适得胶头滴管,前端得细玻璃管应该尽量长。
在仪器设备允许得前提下,用电子测温仪代替温度计得人工读数,电子测温仪准确度与精确度更高。可以直观地通过显示屏上得数据观察温度得变化。
本次实验要根据气液相折射率得数据,要在折射率摩尔分数工作曲线上分别查出平衡气相与液相得组成。虽然我们已经通过excel软件得出曲线图,但仍然要通过人为读数在曲线图上查出各折射率所对应得摩尔分数。数据一共有20组之多,一组一组地读数速度很慢,且精度不高。因此,在技术支持得前提下,应采用适当得电脑软件,以协助读数。