物化實(shí)驗(yàn)雙液系的氣液平衡相圖

1、雙液系的氣液平衡相圖孫瀅智/2013011968材31（張澤文）實(shí)驗(yàn)日期：提交報(bào)告日期：帶實(shí)驗(yàn)的老師：陳巧梅1 引言1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1.1 用沸點(diǎn)儀測(cè)定在常壓下環(huán)已烷乙醇的氣液平衡相圖。1.1.2 掌握阿貝折射儀的使用方法。1.2 實(shí)驗(yàn)原理將兩種蒸氣壓不同的揮發(fā)性液體混合，溶液的組成與其平衡氣相的組成不同。在壓力保持一定，二組分系統(tǒng)氣液達(dá)到平衡時(shí)，表示液態(tài)混合物的沸點(diǎn)與平衡時(shí)組成關(guān)系的相圖，稱(chēng)為沸點(diǎn)和組成(T-x)圖。沸點(diǎn)和組成(T-x)的關(guān)系有下列三種：(1)理想液體混合物或接近理想液體混合物的雙液系，其液體混合物的沸點(diǎn)介于兩純物質(zhì)沸點(diǎn)之間見(jiàn)圖1(a)；(2)各組分蒸氣壓對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生

2、很大的負(fù)偏差，其溶液有最高恒沸點(diǎn)見(jiàn)圖1(b)；(3)各組分蒸氣壓對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸點(diǎn)見(jiàn)圖1(c)。第(2)、(3)兩類(lèi)溶液在最高或最低恒沸點(diǎn)時(shí)的氣液兩相組成相同，加熱蒸發(fā)的結(jié)果只使氣相總量增加，氣液相組成及溶液沸點(diǎn)保持不變，這時(shí)的溫度稱(chēng)恒沸點(diǎn)，相應(yīng)的組成稱(chēng)恒沸組成。 圖1 沸點(diǎn)組成圖為了測(cè)定二元液系的T-x圖，需在氣液達(dá)到平衡后，同時(shí)測(cè)定溶液的沸點(diǎn)、氣相和液相組成。本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定具有最低恒沸點(diǎn)的環(huán)己烷乙醇雙液系的T-x圖。方法是用沸點(diǎn)儀(圖2)直接測(cè)定一系列不同組成之溶液的氣液平衡溫度(即沸點(diǎn))，并收集少量餾出液(即氣相冷凝液)及吸取少量溶液(即液相)，分別用阿貝折射

3、僅測(cè)定其折射率。為了求出相應(yīng)的組成，必須先測(cè)定已知組成的溶液的折射率，作出折射率對(duì)組成的工作曲線(xiàn)，在此曲線(xiàn)上即可查得對(duì)應(yīng)于樣品折射率的組成。圖2 沸點(diǎn)儀2. 實(shí)驗(yàn)操作2.1 實(shí)驗(yàn)用品沸點(diǎn)儀、調(diào)壓器、阿貝折射儀、超級(jí)恒溫槽、110溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、滴管、放大鏡。環(huán)己烷(AR)、無(wú)水乙醇(AR)、各種濃度的環(huán)已烷乙醇混合溶液（已注入各沸點(diǎn)儀中）。2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫：T0= 19.8 相對(duì)濕度：12%大氣壓：p0= 100.87 kPa。2.3 實(shí)驗(yàn)步驟2.3.1 測(cè)定溶液的折射率。用阿貝折射儀測(cè)定環(huán)己烷、無(wú)水乙醇以及由環(huán)已烷乙醇組成的標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率，作折射率對(duì)組成的工作曲線(xiàn)。2.3.2 檢查

4、待測(cè)樣品的濃度。在通電加熱之前，檢查沸點(diǎn)儀內(nèi)的待測(cè)樣品的濃度是否合適。若濃度不符合要求，則加環(huán)己烷或乙醇調(diào)正。2.3.3 測(cè)定液相和氣相組成。分別測(cè)定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0、10、30、69.5、90、96、100的環(huán)已烷乙醇溶液在沸點(diǎn)下的液相和氣相的組成。測(cè)定方法如下：接通電源，通冷卻水，按要求調(diào)節(jié)調(diào)壓器，加熱溶液至沸騰。待其溫度計(jì)上所指示的溫度保持恒定后，讀下該溫度值，同時(shí)停止加熱，并立即在小泡中取氣相冷凝液，迅速測(cè)定其折射率，冷卻液相，然后用滴管將溶液攪均后取少量液相測(cè)定其折射率。若認(rèn)為數(shù)據(jù)不可靠，重復(fù)上述操作。注意：每次測(cè)量折射率后，要將折射儀的棱鏡打開(kāi)，用吸耳球吹干，以備下次測(cè)定用。（本次試

5、驗(yàn)使用數(shù)字顯示溫度計(jì)，無(wú)需校正）2.3.4 繪圖。2.4 注意事項(xiàng)2.4.1 加熱電阻絲的電壓不得超過(guò)40 V。2.4.2 一定要使體系達(dá)到氣液平衡即溫度穩(wěn)定后才能取樣分析。2.4.3 取樣后的滴管不能倒置。2.4.4 取氣相冷凝液的同時(shí)，停止加熱。待被測(cè)液相溶液冷卻后測(cè)其折射率。2.4.5 使用阿貝折射儀時(shí)，棱鏡行不能觸及硬物（特別是滴管）。棱鏡上加入被測(cè)溶液后立即關(guān)閉鏡頭。實(shí)驗(yàn)中必須使用同一臺(tái)阿貝折射儀。2.4.6 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須在沸點(diǎn)儀的冷凝管中通入冷卻水，使氣相全部冷凝。3 結(jié)果與討論 3.1 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1環(huán)己烷乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液及其對(duì)應(yīng)折射率溶液號(hào)空瓶質(zhì)量/g加入環(huán)己烷后總質(zhì)量/g再加

6、入乙醇后總質(zhì)量/g溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)/%折射率1-01.3630231.187636.430235.648014.91.3720329.167530.705233.873632.71.3812430.741033.117235.482450.11.3923531.943435.302036.725770.21.4052635.579839.396940.172983.11.41457-1001.4274表2待測(cè)的環(huán)己烷乙醇溶液的沸點(diǎn)及沸點(diǎn)下的液相和氣相的組成溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)/%氣相折射率液相折射率沸點(diǎn)t / oC0（純乙醇）1.36301.363078.24101.36801.364277.16

7、301.39791.376268.2969.51.40411.395064.87901.40781.417265.14961.42101.427075.86100（純環(huán)己烷）1.42731.427480.703.2計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果根據(jù)表1中數(shù)據(jù)繪制組成折射率曲線(xiàn)如下： 圖3 組成-折射率圖 環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（x/%）與溶液折射率（n）的關(guān)系擬合式為：x= -4891.71609n2+ 15211.15619n -11645.62353；r2= 0.99963 由工作曲線(xiàn)的擬合式計(jì)算，得到待測(cè)的環(huán)己烷乙醇溶液在沸點(diǎn)下的氣相和液相組成。表3.待測(cè)溶液氣相液相組成溶液環(huán)己烷百分?jǐn)?shù)純乙醇10%30%69

8、.5%90%96%純環(huán)己烷氣相組成/%-0.4968.76359.0368.3673.7591.8899.93液相組成/%-0.496 1.748 23.42 54.54 86.83 99.55 100.05作環(huán)己烷乙醇體系T-x相圖作環(huán)己烷乙醇體系T-x相圖:圖3環(huán)己烷乙醇體系沸點(diǎn)組成相圖從圖中讀出，環(huán)己烷乙醇體系有一最低恒沸點(diǎn)，該點(diǎn)溫度為64.9，對(duì)應(yīng)組成為環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)x=71%。3.3討論分析誤差分析經(jīng)過(guò)查表得，乙醇環(huán)己烷體系的最低恒沸點(diǎn)為64.8，環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.77%。由此可以看出通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的恒沸點(diǎn)和組成與文獻(xiàn)值相差很小，相對(duì)誤差分別為0.15%和0.32%，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性

9、較高。本實(shí)驗(yàn)的誤差可能來(lái)源于以下幾個(gè)方面：l 實(shí)驗(yàn)中，取液相時(shí)，由于沒(méi)有等到其完全冷卻，此時(shí)溫度較高，溶液的蒸發(fā)仍較快，而乙醇和環(huán)己烷的蒸汽壓不同，蒸汽組成也與液相不同，蒸發(fā)的速率不同，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量時(shí)液相的組成與剛?cè)〕鰰r(shí)有差異，造成結(jié)果的誤差。l 液體沸騰時(shí)過(guò)于劇烈，使得噴嘴噴出的液體過(guò)于頻繁地進(jìn)入冷凝液小泡，若氣相冷凝液沒(méi)有在停止加熱前及時(shí)將液相液體排出，則會(huì)導(dǎo)致液相組成測(cè)定出現(xiàn)誤差。l 液體的折射率會(huì)隨溫度的變化而改變，理論上應(yīng)該在恒溫的條件下對(duì)折射率進(jìn)行測(cè)量。但實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中室溫是會(huì)發(fā)生變化的，而且對(duì)液相的折射率進(jìn)行測(cè)量時(shí)液相也未完全冷卻到室溫，引入誤差。l 此外還有讀數(shù)，儀器等引起的

10、誤差。3.3.2注意事項(xiàng)l 注意調(diào)節(jié)沸騰的劇烈程度，不要使噴出液過(guò)于猛烈使得液相進(jìn)入冷凝的小泡內(nèi)過(guò)于頻繁，也不要使噴淋溫度計(jì)的間隔過(guò)久，放置散熱過(guò)多造成測(cè)量的溫度會(huì)偏低。l 測(cè)定折射率時(shí)要盡快，防止蒸發(fā)引起所測(cè)液體組分發(fā)生變化引起的誤差。l 在即將達(dá)到沸騰溫度時(shí)，溫度計(jì)測(cè)量的溫度升高較為緩慢，應(yīng)等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間待其穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量。4 結(jié)論由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相圖可知，乙醇雙環(huán)己烷體系，為具有最低恒沸點(diǎn)的雙液系，在最低恒沸點(diǎn)時(shí)的氣相和液相組成相同。此雙液系非理想液體混合物，對(duì)拉烏爾定律有負(fù)偏差。最低恒沸點(diǎn)為64.9，環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71%。5 參考文獻(xiàn)1.賀德華,麻 英,張連慶.基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)M.北

11、京:高等教育出版社,2008:36-382朱文濤，王軍民，陳琳.簡(jiǎn)明物理化學(xué).北京:清華大學(xué)出版社,2008.6 附錄思考題：1.使用阿貝折射儀時(shí)要注意些什么問(wèn)題？如何正確的使用才能測(cè)準(zhǔn)數(shù)據(jù)？ 答：使用阿貝折射儀時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)的方法如下：1 在棱鏡上不能觸及硬物，尤其要注意滴液時(shí)不要將滴管的頭部觸碰到棱鏡2 棱鏡上加入被測(cè)溶液后立即關(guān)閉鏡頭，防止液體蒸發(fā)。3 打開(kāi)恒溫儀，盡量保證在恒溫下測(cè)量折射率。4 使用之前先校正儀器，調(diào)節(jié)黑色線(xiàn)的清晰度，使得黑色邊界分明。5 測(cè)量時(shí)候使黑色線(xiàn)超過(guò)十字線(xiàn)交點(diǎn)后再返回和交點(diǎn)重合，這樣可以消除旋鈕造成的儀器系統(tǒng)誤差。6 讀數(shù)要注意讀兩邊的數(shù)，最后取小數(shù)點(diǎn)后四位。2.收集氣相冷凝液的小泡體積太大，對(duì)測(cè)量有什么影響？ 答：當(dāng)液體沸騰時(shí)液相有時(shí)會(huì)噴入小泡，若氣相冷凝液的小泡體積太大，則冷凝管產(chǎn)生的氣相冷凝液不能及時(shí)將液相液體排出小泡，部分液相液體會(huì)殘留于小泡中，從而導(dǎo)致小泡中液體的組成向液相液體的方向產(chǎn)生偏差，引入誤差。3.平衡時(shí)，氣液兩相溫度應(yīng)不應(yīng)該一樣？實(shí)際是否一樣？怎樣防止溫度的差異？答：兩相平衡是溫度應(yīng)該是一樣的。實(shí)際上二者的溫度會(huì)有微小的差別，不完全一樣。為了防止