二组分完全互溶双液系气-液平衡相图.docx

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实验报

课程名称： 大学化学实验（P） 姓名： 华佳益 学号：3120102375成绩：_______________
实验名称： 二组分完全互溶双液系气-液平衡相图 实验类型： 物性测试
【实验目的】
1. 学习测定气-液平衡数据及绘制二组分系统相图的方法，加深理解相律和相图等概念。
2. 掌握正确测量纯液体和液体混合物沸点的方法。
3. 熟悉阿贝折光仪的原理及操作，熟练掌握超级恒温超的使用和液体折射率的测定。
4. 了解运用物理化学性质确定混合物组成的方法。
【实验原理】
两种液态物质若能以任意比例混合，则称为二组分完全互溶液态混合物系统。当纯液体或液态混合物的蒸气压与外压相等时就会沸腾，此时的温度就是沸点。在一定外压下，纯液体的沸点有确定值，通常说的液体沸点指101.3kPa下的沸点。对于完全互溶的混合物系统，沸点不仅与外压有关，还与系统的组成有关。
在一定压力下，二组分完全互溶液态混合物系统的沸点与组成的关系可分为三类：（1）液态混合物的沸点介于两纯组分的沸点之间，如苯-甲苯系统；（2）液态混合物有沸点极大值，如丙酮-氯仿系统；（3）液态混合物有沸点极小值，如水-乙醇系统、苯-乙醇系统。
对于第（1）类，在系统处于沸点时，气液两相的组成不相同，可以通过精馏使系统的两个组分完全分离。第（2）、（3）类是由实际系统与拉乌尔定律产生严重偏差导致。正偏差很大的系统，如第（3）类，在T-x图上呈现极小值，负偏差很大时，如第（2）类，则会出现极大值。相图中出现极致的那一点，称为恒沸点，恒沸点温度和组成都是非常重要的平衡数据。具有恒沸点组成的二组分混合物，在蒸馏时的气相组成和液相组成完全一样，整个蒸馏过程中沸点恒定不变，因此称为恒沸混合物，如要获得两纯组分，则需采取其他方法。
液态混合物组成的分析是相平衡实验的关键。组分分析常采用折射率法、密度法等物理方法和色谱分析法等。本实验采用折射率法。在一定温度下的折射率是物质的一个特征参数，液态混合物的折射率与组成有关，一般呈简单的函数关系因此，测定一系列已知浓度的液态混合物在某一温度下的折射率，作出该液态混合物的折射率-组成工作曲线，根据未知液态混合物的折射率值，可按内插法得到这种未知液态混合物的组成。
折射率是温度的函数，测定时必须严格控制温度。本实验采用配置超级恒温槽的阿贝折光仪来测量平衡气、液相的组成。
【试剂与仪器】
仪器 沸点仪、阿贝折光仪、超级恒温槽、电子天平各1台；调压变压器1只；温度计（50~100℃，1/10℃）1支；普通温度计（1~100℃）1支；250mL烧杯1只；针筒2只；电吹风1只；滴管若干只；擦镜纸。
试剂 环己烷（AR）；无水乙醇（AR）。
【实验步骤】
1. 制作环己烷-乙醇液态混合物的折射率-组成工作曲线（实验室完成）。
2. 安装沸点仪：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及温度计的位置。加热用的电热丝要靠近容器底部的中心。

3. 测定沸点：自液体取样口加入乙醇200~25mL，开冷却水，接通电源，缓慢加热，使沸腾时玻璃提升管喷溢的沸腾液能不断冲在水银球上，且蒸气能在冷凝管中凝聚。如此沸腾一段时间，使冷凝液不断淋洗小球中的液体，知道温度计读数稳定为止。分别记录温度计和辅助温度计的读数。
4. 取样分析：切断电源，停止加热，用250mL烧杯盛冷水套在沸点仪底部，冷却容器内液体，用干燥管吸取蒸汽冷凝液和残留液，供测定折射光率用。
5 测定折射率：调节通入阿贝折光仪的超级恒温槽水温与制作工作曲线的温度一致（30.0℃），然后分别测定蒸汽冷凝液和残留液的折射率。每个样品要平行测定3次折射率值。测毕后由加料口逐次加入1mL、3mL、3mL、5mL、…环己烷，重复试验，分别测定其沸点和折射率，至沸点几乎不再下降以及冷凝液和残留液的折射率近似相等为止，停止加入环己烷。
6. 然后将沸腾夜混合物倒入回收瓶中，吹干仪器，再加入30mL环己烷。如前操作，不过逐次加入0.2mL、0.3mL、0.5mL、1mL、1mL、3mL、3mL、…直至沸点几乎不再下降以及冷凝液和残留液的折射率近似相等为止。
*本次试验步骤6由同组成员完成
【数据记录与处理】
室温：27.1℃，大气压：101kPa。
1. 25mL乙醇中加入环己烷实验。
温度计露茎校正（测量温度计至52℃以上部分露出）。
校正公式t = t1 + 0.000156 h（ t1- t2 ）
t1为测量温度计读数；t2为辅助温度计读数；h为测量温度计露出部分高度（以℃表示）
h= t1 – 52℃； 0.000156为水银相对玻璃的膨胀系数。
表1 环己烷-乙醇液态混合物的气-液平衡数据（一）
环己烷加入量/mL
混合物沸点/℃
辅助温度/℃
校正后沸点/℃
气相（冷凝液）
液相（残留液）
折射率
组成
折射率
组成
0
78.10
27.8
78.30
1.3576
0.007
1.3576
0.007
1
75.72
28.5
75.89
1.3645
0.086
1.3594
0.028
3
70.80
28.5
70.92
1.3832
0.317
1.3646
0.087
3
68.00
28.3
68.10
1.3896
0.411
1.3679
0.125
5
66.01
28.0
66.09
1.3952
0.502
1.3691
0.138
5
65.25
27.8
65.33
1.3966
0.525
1.3834
0.320
7
64.91
28.0
64.98
1.3971
0.534
1.3890
0.402
7
64.72
27.7
64.79
1.3980
0.550
1.3941
0.484
7
64.70
26.9
64.77
1.3982
0.553
1.3972
0.536
7
64.71
27.1
64.78
1.3983
0.555
1.3998
0.581

2. 30mL环己烷中加入乙醇实验。
温度计露茎校正（测量温度计至60℃以上部分露出）。
校正公式t = t1 + 0.000156 （t1-60）（t1- t2）

表2 环己烷-乙醇液态混合物的气-液平衡数据（二）
乙醇加入量/mL
混合物沸点/℃
辅助温度/℃
校正后沸点/℃
气相（冷凝液）
液相（残留液）
折射率
组成
折射率
组成
0
80.30
27.5
80.47
1.4199
0.993
1.4201
0.995
0.2
79.60
27.5
79.76
1.4199
0.993
1.4195
0.981
0.3
77.20
25
77.34
1.4185
0.959
1.4192
0.975
0.5
70.30
24
70.37
1.4034
0.645
1.4182
0.952
1
66.10
27
66.14
1.3995
0.581
1.4158
0.901
1
65.20
26
65.23
1.3983
0.553
1.4124
0.825
3
64.70
28
64.73
1.3979
0.548
1.4069
0.714
3
64.60
28
6463
1.3974
0.538
1.3990
0.567
3
64.60
28
64.63
1.3972
0.536
1.3940
0.482

3. 绘制环己烷-乙醇二组分系统的沸点组成图
图1环己烷-乙醇二组分完全互溶双液系气-液平衡相图

4. 根据图1的相图可以得到，环己烷-乙醇二组分系统的恒沸点约为64.78℃，
恒沸混合物的组成为环己烷摩尔分数0.554。
5. 文献理论值：恒沸温度为64.90℃，恒沸组成为0.550
组成偏差为0.04,
恒沸温度相对误差为| 64.90 – 64.78 | / 64.90 = 0.18%
分析与讨论】
1. 误差分析
实验得到的环己烷-乙醇二组分完全互溶双液系气-液平衡相图基本符合我们的实验结果，恒沸温度与恒沸组成的偏差很小，可能产生误差的原因有：
（1）溶液沸点与外界压强有关，实验测量气压并非标准气压，实验室气压也未进行校正，所以得到的实验结果会存在较小偏差。
（2）测量样品折射率过程中，低沸点样品可能有挥发，影响组成判断。
（3）使用阿贝折光仪读数时，存在视差对折射率造成影响。
（4）取样工具未完全干燥，残余试剂会影响样品组成。
2. 实验中需要注意的问题分析
（1） 测定折光率时，动作要迅速，以避免样品中易挥发组分损失，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，还可能会引起有机物燃烧，所以电压不能过大，加热丝上有小气泡逸出即可。
（3）注意一定要先加溶液，再加热，取样时，应注意切断加热丝电源，及时冷却。
（4）每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。
（5）阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及（如滴管），擦拭棱镜需用擦镜纸。
思考题：
1. 沸点仪中盛气相冷凝液的小球体积过大或过小，对测量有何影响？
答：小球的体积过大会导致冷凝液对其淋洗不充分，与烧瓶中进行物质交换的就只有小 球表面的一层液体，深层的液体则无法充分交换，这就导致测量的冷凝液组成并不是实 际组成，或者说在客观上造成了溶液的分馏，给实验结果造成误差；如果小球的体积过 小则会使聚集的冷凝液量较少，测量折射率时不能进行多次测量取平均值，增大了偶然 误差给实验造成的影响。
2. 实验时，若所吸取的气相冷凝液挥发掉了，是否需要重新配制溶液？
答：不需要重新配制溶液，只需要再次加热混合液让其沸腾，保持一段时间后冷凝液就 会重新产生。
3. 测定纯环己烷或纯乙醇的沸点时，为什么必须将沸点仪吹干，而测定混合物的沸点和 组成时不必将沸点仪进行干燥？
答：测定纯环己烷或纯乙醇的沸点时，必须保证所测定的体系中不能有任何杂质才能获 得准确的数据，故必须把沸点仪吹干；而测定混合物的沸点和组成时因为每次的加入值 是不准确的，其组成是根据折射率到工作曲线上查得的，故单一组分在系统中的多少是 不影响实验的最终结果的。
4.测定纯组分的沸点时，蒸汽冷凝液和残留液的折射率是否应该相等？若不等，说明什 么问题？应怎样处理？
答：测定纯组分的沸点时，蒸汽冷凝液和残留液的折射率应该相等。若不等，则说明该 组分不是严格的纯组分，其中混有杂质。出现这种情况，一般有两种可能性：①沸点仪 没有吹干，内壁附有杂质，若是这种情况则把沸点仪吹干后再测定一次即可；②若再次 测定时二者的折射率还是不相等，则说明试剂本身不纯，需要更换试剂。
5.该系统用普通蒸馏方法能否同时得到两种纯组分？为什么？
答：该系统用普通蒸馏方法不能同时得到两种纯组分。因为此系统与Raoult 定律有较大 正偏差，混合液体有恒沸点，在恒沸点时其蒸馏时的气相组成和液相组成完全一样，因 此简单蒸馏时只能获得某一纯组分和恒沸混合物，无法得到两种纯组分。
6.实验过程中，你发现液态混合物的沸点、组成、折射率变化有什么规律？
答：只考虑液态混合物即残留液的情况下，从实验数据得到的相图可以看出，一开始随 环己烷在体系中的比例逐渐加大，混合物的沸点从接近纯乙醇沸点的温度逐渐降低，折 射率则从接近纯乙醇折射率的数值持续增大；到达恒沸组成时，沸点降至最低；继续增 加环己烷的比率，混合物的沸点又再升高，不断接近纯环己烷的沸点，折射率则继续增 大，不断接近纯环己烷折射率的数值。
7.为了保证取样分析正确，应注意哪些环节？
答：为了保证取样分析正确，每次测定时应让混合物沸腾一定的时间，使气相的冷凝液 充分淋洗冷凝液小球；调节冷却水的流速及变压器的电压大小，使冷凝管中的蒸汽高度 保持在1-2cm 左右，测定前应让混合物冷却，包括冷凝管底部的小球也应用适当方法将 其冷却；测定时应动作迅速，避免试样中低沸点成分挥发掉；阿贝折光仪的测量温度应 保持恒定，尽量保证所有的样品在同样的温度下测定；每次在折光仪滴加样品前都应洗 净镜面；每次测量之后都应将吸取冷凝液和残留液的滴管用电吹风吹干，避免前一次的 试样残留对后一次的试样造成污染。
8.使用折射率仪应注意哪些问题？
答：使用折射率仪时，开合棱镜要小心，使用时不能将滴管或其他硬物碰到镜面；每次 滴加样品前，都应洗净镜面，使用完毕后应用丙酮或乙醚洗净镜面并干燥；擦洗镜面时 只能用擦镜纸或专用的棉巾，镜面上不能积有灰尘；强酸、强碱及氟化物等腐蚀性液体 不能用折光仪测量，以免腐蚀棱镜；避免强烈振动或撞击折光仪，以防止光学零件损坏。
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