实验六 双液系的气—液平衡相图(更新).doc

实验六 双液系的气—液平衡相图
一、实验目的
1、绘制在标准压力下乙醇-正丙醇体系的沸点组成图;
2、熟练掌握测定双组分液体沸点的方法及用折光率确定二组分物系组成的方法;
3、掌握超级恒温槽、阿贝折射仪、气压计等仪器的使用方法。
二、实验原理
1、相图
任意两个在常温时为液态的物质混合起来组成的体系称为双液系。两种溶液若能按任意比例进行溶解，称为完全互溶双液系，如环已烷-乙醇、正丙醇-乙醇体系都是完全互溶体系。若只能在一定比例范围内溶解，称为部分互溶双液系，例苯-水体系。
在完全互溶双液系中，有一部分能形成理想液态混合物，如苯-甲苯系统，二者的行为均符合拉乌尔定律，但大部分双液系是非理想液态混合物，其行为与拉乌尔定律有偏差。
液体的沸点是指液体的蒸气压与外界压力相等时的温度。在一定外压下，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相对含量有关。双液系两相平衡时的气相组成和液相组成并不相同。
通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相和液相的组成作图，所得图形叫双液系的沸点T(或t)-组成(x)图，即T（或t）—x图。它表明了沸点与液相组成和与之平衡的气相组成之间的关系。
在恒定压力下，二组分系统气液达到平衡时，其沸点-组成（t-x）图分三类：
(1)混合液的沸点介于A、B二纯组分沸点之间。这类双液系可用分馏法从溶液中分离出两个纯组分。如苯-甲苯系统，此时混合物的行为符合拉乌尔定律或对拉乌尔定律的偏差不大。如图5-1(a)所示。
(2）有最低恒沸点体系，如环已烷-乙醇体系， t—x图上有一个最低点，此点称最低恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大正偏差，如图5-1(b)所示。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。
(3）有最高恒沸点体系，如氯仿-丙酮体系，t—x图上有一个最高点，此点称最高恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大负偏差，如图5-1(c)所示。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。

(a) (b) (c)
图5-1 二组分系统的沸点-组成图
本实验选择了乙醇—正丙醇体系，其相图见图5-1(a)。
2、绘制沸点-组成图
原理：如图5-1(a)所示，上面一条线是气相线，下面一条线是液相线，对应于同一沸点温度T下的两曲线上的两个点V，L，气液成平衡时的气相点和液相点，其相应的组成可从横轴上获得。因此如果在恒压下对溶液进行蒸馏，在气液达平衡后，同时测定气相组成、液相组成和溶液的沸点就能绘出t—X图。
二组分完全互溶液系达气液两相平衡时，F=2-2-1=1，当温度恒定时，两相（气相、液相）的组成是恒定的，当体系的总组成一定时，由杠杆规则可知，两相的相对量也是一定的。反之，在一定的实验装置中，利用回流的方法保持气、液二相的相对量一定，则体系温度保持恒定，待两相平衡后，取出两相的样品，分析两相的组成，在沸点-组成图上，找出一对坐标点。改变体系总组成，再如上法找出另一对坐标点，这样测得若干对坐标点（T，X,Y），将所有的气相点连起来，所有的液相点连起来，即得到了t-X图。
3、沸点仪
测定沸点的装置叫沸点测定仪(如图5-2所示)。这是一个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相样品。电流通过浸入溶液中的电阻丝。这样既可减少溶液沸腾时的过热现象,还能防止暴沸。（因为电热丝的粗表面起沸石作用）测定时，温度计水银球要一半在液面下，一半在气相中，以便准确测出平衡温度。用弯头取样管从气相冷凝小槽中取样分析气相组成，用短管从侧磨口取样分析液相组成。

图5-2沸点测定仪
4、混合物的组成分析
本实验不能直接测出气、液相组成，由于乙醇和正丙醇的折射率相差较大且它们液态混合物的折射率与其浓度呈线性关系，而折光率的测定又只需少量样品，所以，可用折光率-组成工作曲线来求得平衡体系的两相组成。阿贝(Abbe)折光仪的原理及使用详见九仪器的使用。
①先测一系列已知组成的混合物（标准液）的折光率，见表5-1，作n-x的工作曲线。见图5-3。
②测一系列未知液从2号液-----5号液的沸点及液相、气相的折光率及纯正丙醇的沸点，见表5-2。
③在工作曲线上查出对应的组成，填入表5-2。
三、仪器和药品
沸点测定仪 1套阿贝折光仪 1台
调压器 1台长短吸管 各5支
超级恒温槽 1台 温度计（0.1℃） 1支
移液管(1mL)2支 量筒3个 容量瓶9个
正丙醇(分析纯)； 无水乙醇(分析纯)； 镜头纸；
四、实验步骤
1、接通供折射仪用的超级恒温槽电源，调节恒温槽的温度，使其达到实验所需温度。
2、用阿贝折射仪测定纯正丙醇，乙醇及标准液的折光率,填入表5-1。
3、测定沸点-组成数据：
①安装沸点测定仪：将干燥的沸点测定仪按图5-2安装好，检查带有温度计的橡皮塞是否塞紧。加热用的电阻丝要靠近底部中心，温度计的水银球不能接触电阻丝，而且每次更换溶液后，要保证测定条件尽量平行(包括水银温度计和电阻丝的相对位置)。
②测定沸点及平衡时气～液相组成：
先测正丙醇的沸点，再测正丙醇系列溶液的沸点及气、液相组成（从浓度高到低）。
取掉塞子，加入所要测定的溶液(40mL)，其液面以在水银球中部为宜。加入沸石2-3粒，打开冷凝水（开小一点），通电加热，用调压器将电压控制在20-50伏之间至沸腾，控制回流速度为1滴/1-2秒。使蒸气在冷凝管中回流高度不宜太高，以2cm左右为好。如此,沸腾一段时间，待温度稳定后再维持3min～5min以使体系达到平衡，再记录沸点温度。然后停止加热，电压回零。用盛有自来水的250mL烧杯套在沸点测定仪底部使体系冷却至与恒温槽温度相近。用干燥长滴管自冷凝管口伸入小球，吸取其中全部冷凝液。用另一支短滴管由支管吸取圆底烧瓶内的溶液约1mL。上述两者即可认为是体系平衡时气、液两相的样品。分别迅速测定它们的折光率。每个样品测定完毕，应将溶液倒回原瓶，再以相同方法测另一样品，得到一系列不同组成的乙醇—正丙醇的沸点及对应的气—液两相的折光率,填入表5-2中。据这些数据，由工作曲线确定气—液两相的组成。
③实验完毕，回收样品，清洗仪器，注意关电关水！
④记录实验开始时和实验结束时的环境温度和大气压力数值。
五、数据记录及处理
1、压力校正
水银气压计的刻度是以温度等于0℃、纬度45℃海平面的压力为101.325kPa为标准大气压，所以从气压计上直接读出的数值，必须经过仪器校正后才是正确的。
气压计通常用mbar为刻度，1mbar=100pa
我们只对温度进行校正: P0= Pt(1-0.000163t) （5.1）
P0-校正到0℃时的大气压力；Pt-t℃时大气压力，二者的单位都是kpa。
乙醇的沸点按下式计算:
（5.2 ）
式中A=8.32109 ； B=1718.10；C=237.52，t为温度(℃)，D为压力单位的换算因子，其值为2.1249。单位：Pa。
2、经校正后的体系正常沸点应为
t沸= t测+△t压 （5.5）
将实验数据列表：室温： 大气压：
 表5-1 乙醇---正丙醇标准溶液的折射率与组成
X正丙醇
0
0.10
0.30
0. 50
0.70
0.90
1.00
n折射率

表5-2 不同组成的乙醇---正丙醇溶液折射率与组成
样 品
近似组成
X丙醇
沸点/0C
折 射率
组 成

气 相

液 相

气相

液相
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
0
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
/
2
0.10

3
0.30

4
0.50

5
0.70

6
1.00

2、绘制工作曲线，即乙醇---正丙醇标准溶液的折光率与组成的关系曲线，如图5-4所示。

图5-4折射率-组成的工作曲线
3、根据工作曲线确定各待测溶液气相和液相的平衡组成，填入表5-2中，
将各组成的沸点经校正后的填入表5-2中，将计算的两纯组分的沸点，填入表5-2中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的平衡曲线，即双液系相图，如图5-5所示。

 图5-5乙醇---正丙醇系统沸点-组成图
六、注意事项
1、由于整个体系并非绝对恒温，气、液两相的温度会有少许差别，因此沸点仪中，温度计水银球的位置应一半浸在溶液中，一半露在蒸气中。并随着溶液量的增加要不断调节水银球的位置。
2、实验中尽可能避免过热现象，为此每加两次样品后，可加入一小块沸石，同时要控制好液体的回流速度，不宜过快或过慢。
3、在每一份样品的蒸馏过程中，由于整个体系的成分不可能保持恒定，因此平衡温度会略有变化，特别是当溶液中两种组成的量相差较大时，变化更为明显。为此每加入一次样品后，只要待溶液沸腾，正常回流１min～２min后，即可取样测定，不宜等待时间过长。
4、每次取样量不宜过多，取样时毛细滴管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相取样口的残液亦要擦干净。
5、整个实验过程中，通过折射仪的水温要恒定，使用折射仪时，棱镜不能触及硬物(如滴管)，擦拭棱镜用擦镜纸。
6、在更换溶液时，务必用滴管取尽沸点仪中的测定液，以免带来误差

七、思考题
1、作乙醇---正丙醇标准液的折光率-组成曲线的目的是什么？
2、每次加入蒸馏瓶中的正丙醇或乙醇是否应按记录表规定精确计量？
3、如何判断已达气-液平衡？
4、收集气相冷凝液的小槽的大小对实验结果有无影响？
5、我们测得的沸点和标准大气压时的沸点是否一致？
6、测定纯正丙醇和乙醇的沸点时为什么要求蒸馏瓶必须是干的，而测定混合液沸点和组成时则可不必将原先附在瓶壁的混合液绝对弄干？

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