雙液系的氣液平衡相圖

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握采用阿貝折光率儀確定二元液體組成的方法；2. 掌握測定雙組份液體的沸點(diǎn)及正常沸點(diǎn)的方法；3. 繪制在恒壓下環(huán)己烷-乙醇雙液系的氣-液平衡相圖。二、實(shí)驗(yàn)原理兩種液態(tài)的物質(zhì)混合而成的二組分體系稱為雙液系。它可以分為完全互溶和部分互溶的雙液系。體系的沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān)，而且與雙液系的組成有關(guān)。在恒壓下做溫度T對組成x的關(guān)系圖即為T-x圖。由相律可知，對于雙液系在恒壓下氣-液兩相共存區(qū)域中，自由度為1。當(dāng)溫度一定時(shí)，氣-液兩相的相對組成也就有了確定值。根據(jù)杠桿原理，兩相的相對量也確定了。因此實(shí)驗(yàn)測定一系列不同組成的雙液系溶液的氣-液相平衡時(shí)的沸點(diǎn)及此時(shí)氣相和液相的組成，即可得T-

2、x圖。因此雙液系氣-液平衡相圖實(shí)驗(yàn)主體上包括一系列混合體系的沸點(diǎn)測定和氣-液相組成分析兩個(gè)主要內(nèi)容。體系的沸點(diǎn)可用沸點(diǎn)儀測定的，其構(gòu)造如圖7.2所示。采用電熱絲直接加熱溶液，以防止過熱現(xiàn)象，同時(shí)該沸點(diǎn)儀用平衡蒸餾法分離氣液兩相，具有可便于取樣分析及避免分餾等優(yōu)點(diǎn)。體系的氣液相組成的分析是相圖繪制的另一核心，可以根據(jù)待測體系的理化性質(zhì)尋找多種合適的分析方法。以完全互溶雙液系環(huán)己烷-乙醇體系為例。由于環(huán)己烷和乙醇兩者的折光率相差較大，因此本實(shí)驗(yàn)可采用測定溶液折光率方法來確定兩組分的組成，用阿貝折光儀測定兩組分組成的折光率，可以測出折光率對組成的工作曲線，根據(jù)測得液體樣品的折光率，從工作曲線上可查得

3、兩相的組成。三、儀器與藥品 FDY雙液系沸點(diǎn)測定儀，阿貝折光儀，超級恒溫槽，長滴管，燒杯（50 ml，250 ml），具塞錐形瓶（10ml），刻度移液管（5ml）丙酮（AR級）；環(huán)己烷（AR級）；乙醇（AR級）圖7-1 FDY雙液系沸點(diǎn)測定儀前面板示意圖圖7-1是沸點(diǎn)儀加熱控制器的前面板示意圖，各功能鍵的說明如下：1、電源開關(guān)2、加熱電源調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)所需的加熱電源。3、溫度顯示窗口顯示所測溫度值。4、電壓顯示窗口顯示加熱輸出電壓值。5、負(fù)極接線柱加熱電源輸出負(fù)極接線柱。6、正極接線柱加熱電源輸出正極接線柱。圖7-2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)連接阿貝折光儀的超級恒溫槽溫度為25oC，啟動(dòng)恒溫水

4、循環(huán)，使各臺阿貝折光儀的樣品臺保持恒溫。配制系列環(huán)己烷乙醇溶液，以環(huán)己烷體積分?jǐn)?shù)計(jì)約為、。（一）環(huán)己烷乙醇溶液的組成折光率曲線的測定 1、在10mL帶塞錐形瓶中采用稱量法配制適量的環(huán)己烷摩爾分?jǐn)?shù)為、的環(huán)己烷乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液。計(jì)算所需環(huán)己烷和乙醇的質(zhì)量，并用分析天平準(zhǔn)確稱取。為避免樣品揮發(fā)帶來的誤差，稱量應(yīng)盡可能迅速。各個(gè)溶液的確切組成可按實(shí)際稱樣結(jié)果精確計(jì)算。 2、調(diào)節(jié)超級恒溫槽的恒溫水浴溫度（恒溫為25oC），使阿貝折光儀上的溫度計(jì)讀數(shù)保持在某一定值。分別測定上述9個(gè)溶液以及乙醇和環(huán)己烷的折光率，作出折光率組成工作曲線圖。（注意：阿貝折光儀使用前須對零點(diǎn)進(jìn)行校正，每次測量前需用丙酮洗滌棱鏡，防止

5、上次測定的樣品殘留對下一次測量的影響。每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。） 3、測定結(jié)束后，將剩余溶液倒入回收瓶。（二）乙醇 環(huán)己烷二組分溶液的氣液平衡數(shù)據(jù)測定 1、將傳感器插頭插入后面板上的“傳感器”插座。 2、將220V電源接入后面板上的電源插座。 3、按圖連好沸點(diǎn)儀實(shí)驗(yàn)裝置，傳感器勿與加熱絲相碰。 4、接通冷凝水。量取60ml乙醇從側(cè)管加入蒸餾瓶內(nèi)，并使傳感器和加熱絲浸入溶液內(nèi)。打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)“加熱電源調(diào)節(jié)”旋鈕，（電壓為12V即可）。將液體加熱至緩慢沸騰，因最初在冷凝管下端小槽內(nèi)的液體不能代表平衡時(shí)氣相的組成，為加速達(dá)到平衡，故須連同支架一起傾斜蒸餾瓶，使小槽中氣相冷凝液傾回蒸餾瓶內(nèi)，重復(fù)三次

6、（注意：加熱時(shí)間不宜太長，以免物質(zhì)揮發(fā)）待溫度穩(wěn)定后，記下乙醇的沸點(diǎn)和室內(nèi)大氣壓。停止加熱，待冷卻至室溫后，將溶液倒入回收瓶，烘干蒸餾瓶和回流冷凝管。5、按第4步方法測定環(huán)已烷的沸點(diǎn)。6、任取一份預(yù)先配制的環(huán)己烷乙醇溶液60ml，通過側(cè)管加入蒸餾瓶中，加熱至沸騰，待溫度變化緩慢時(shí)，同上法回流三次，溫度基本不變時(shí)記下沸點(diǎn)，停止加熱，將樣品冷卻到室溫。取出氣相、液相樣品，在阿貝折光儀上測其折光率。7、測定完畢，將溶液倒入原試劑瓶中，不要烘干蒸餾瓶和回流冷凝管。8、重復(fù)步驟6-7，將預(yù)先配制的環(huán)己烷體積分?jǐn)?shù)約為、的二組分溶液全部測定完畢。9、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉儀器和冷凝水。五、數(shù)據(jù)記錄與處理（1）列表

7、記錄標(biāo)準(zhǔn)溶液的折光率和組成數(shù)據(jù)，作出折光率-組成的工作曲線。（2）由折光率-組成工作曲線查得氣液兩相的組成，以環(huán)己烷的摩爾分?jǐn)?shù)表示。（3）利用組成-折光率工作曲線所確定的氣、液相組成，以及各組成下的沸點(diǎn)，繪制T-x相圖。六、思考題1、在本實(shí)驗(yàn)中，換樣品時(shí)沸點(diǎn)儀中的液體有部分揮發(fā)了，這是否會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果？2、試設(shè)計(jì)其他可能用于雙液系氣-液兩相的組成的測定方法。附錄折光率和阿貝折光儀一、阿貝折光儀的原理一束光線照射在兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)，要改變它的傳播方向，但仍在原介質(zhì)上傳播，這種現(xiàn)象叫光的反射，如附圖1。附圖1 反射原理圖光的反射遵守以下定律：。附圖2 折射原理圖光線從一種介質(zhì) (如空氣) 射到

8、另一種介質(zhì) (如水)時(shí)，除了一部分光線反射回第一種介質(zhì)外，另一部分進(jìn)入第二種介質(zhì)中并改變它的傳播方向，這種現(xiàn)象叫光的折射，如附圖2。光的折射遵守以下定律：無論入射角怎樣改變，入射角正弦與折射角正弦之比，恒等于光在兩種介質(zhì)中的傳播速度之比，即光在真空中的速度和在介質(zhì)中的速度之比，叫做介質(zhì)的絕對折射率 (簡稱折射率，折光率)，以n表示，即因此由此可知，當(dāng)光線由光密物質(zhì)進(jìn)入光疏物質(zhì)時(shí)，折射角將大于入射角，反之亦然。當(dāng)入射角增大到某一角度，如附圖3中4的位置時(shí)，其折射線4恰好與OM重合，此時(shí)折射線不再進(jìn)入光疏介質(zhì)而是沿兩介質(zhì)的接界面OM平行射出，這種現(xiàn)象稱為全反射，發(fā)生全反射的入射角稱為臨界角，即圖中

9、的角。附圖3 全反射原理圖將上述光路逆轉(zhuǎn)過來，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光線由光疏物質(zhì)進(jìn)入光密物質(zhì)時(shí)，若入射角小于90，則折射角均將小于臨界角，折射的結(jié)果是OU面左面明亮，右面完全黑暗，形成明顯的黑白分界。測出臨界角，可以得到若為棱鏡的折射率且已知，則測定臨界角后就可以得到樣品的折射率。阿貝折光儀（附圖4）是測量物質(zhì)折射率的專用儀器，它能快速而準(zhǔn)確地測出透明、半透明液體或固體材料的折射率（測量范圍一般為1.4-1.7)，它還可以與恒溫、測溫裝置連用，測定折射率與溫度的變化關(guān)系。附圖4 阿貝折光儀實(shí)物圖1反射鏡2棱鏡座連接轉(zhuǎn)軸3遮光板5進(jìn)光棱座6色散調(diào)節(jié)手輪7色散值刻度圈8目鏡9蓋板10鎖緊手輪11折射標(biāo)棱鏡

10、座12照明刻度聚光鏡13溫度計(jì)座14底座15折射率刻度手輪17殼體18恒溫器接頭阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)系統(tǒng)和讀數(shù)系統(tǒng)組成，如附圖5所示。望遠(yuǎn)系統(tǒng)。光線進(jìn)入進(jìn)光棱鏡1與折射棱鏡2之間有一微小均勻的間隙，被測液體就放在此空隙內(nèi)。當(dāng)光線（太陽光或日光燈）射入進(jìn)光棱鏡1時(shí)便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射，使被測液層內(nèi)有各種不同角度的入射光，經(jīng)折射棱鏡2產(chǎn)生一束折射角均大于出射角度i的光線。由擺動(dòng)反射鏡3將此束光線射入消色散棱鏡組4，此消色散棱鏡組是由一對等色散阿米西棱鏡組成，其作用是可獲得一可變色散來抵消由于折射棱鏡對不同被測物體所產(chǎn)生的色散。再由望遠(yuǎn)鏡5將此明暗分界線成像于分劃板 7上，分劃板上有十字分劃

11、線，通過目鏡8能看到如附圖6上部分所示的象。附圖5 望遠(yuǎn)系統(tǒng)和讀數(shù)系統(tǒng)光路圖1.進(jìn)光棱鏡 2.折射棱鏡3.擺動(dòng)反光鏡4.消色散棱鏡組5.望遠(yuǎn)物鏡組6.平行棱鏡7.分劃板8.目鏡9.讀數(shù)物鏡10反光鏡11.刻度盤12.聚光鏡讀數(shù)系統(tǒng)。光線經(jīng)聚光鏡12照明刻度板11（刻度板與擺動(dòng)反射鏡3連成一體同時(shí)繞刻度中心作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。通過反射鏡10，讀數(shù)物鏡9，平行棱鏡6將刻度板上不同部位折射率示值成象于分劃板7上(見附圖6)。讀數(shù)鏡視場中右邊為液體折射率刻度，左邊為蔗糖溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)（錘度Brix，0-95，刻度）。附圖6 阿貝折光儀的目鏡成像和讀數(shù)鏡視場阿貝折光儀是根據(jù)全反射原理設(shè)計(jì)的，有透射光(掠入射)與

12、反射光(全反射)兩種使用方法。（一）測定液體的折射率若待測物為透明液體，一般用透射光即掠入射方法來測量其折射率nx。阿貝折光儀中的阿貝棱鏡組由兩個(gè)直角角棱鏡(折射率為n)組成，一個(gè)是進(jìn)光棱鏡，它的弦面是磨砂的，其作用是形成均勻的擴(kuò)展面光源。另一個(gè)是折射棱鏡。待測液體(nxn)夾在兩棱鏡的弦面之間，形成薄膜。如附圖7所示。附圖7 阿貝折光儀成像原理圖光先射入進(jìn)光棱鏡，由其磨砂弦面AB，產(chǎn)生漫射光穿過液層進(jìn)入折射棱鏡(圖中ABC)。因此到達(dá)液體和折射棱鏡的接觸面(AB面)上任意一點(diǎn)E的諸光線(如1，2，3等)具有各種不同的入射角，最大的入射角是90。這種方向的入射稱為掠入射。對不同方向入射光中的某

13、條光線，設(shè)它以入射角i射向AB面，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面以角出射，若，則由折射定律得（1）（2）其中為AB面上的折射角，為AC面上的入射角。由附圖7得棱鏡頂角A與角及角的關(guān)系為則，代入（1）式得（3）由（2）式得：即代入（3）式得：從附圖7可以看出，對于光線“1”，有i90，sini1，則上式變?yōu)橐虼?，若折射棱鏡的折射率n、折射頂角A已知，只要測出出射角即可求出待測液體的折射率。阿貝折光儀是如何測量與光線“1”相對應(yīng)的出射角的呢？由附圖7可知。除光線“1”外，其它光線“2”、“3”等在AB面上的入射角皆小于90度。因此當(dāng)擴(kuò)展光源的光線從各個(gè)方向射向AB面時(shí)，凡入射角小于90度的光線，經(jīng)棱鏡

14、折射后的出射角必大于角而偏折于“1”的左側(cè)形成亮視場。而“1”的另一側(cè)因無光線而形成暗場。顯然，明暗視場的分界線就是掠入射光束“1”的出射方向(“1”)。阿貝折光儀標(biāo)出了與角對應(yīng)的折射率值，測量時(shí)只要使明暗分界線與望遠(yuǎn)鏡叉絲交點(diǎn)對準(zhǔn)，就可從視場中折射率刻度讀出nx值。（二）、測定固體的折射率若待測固體有兩個(gè)互成90度角的拋光面，則可用透射光測定其折射率，如附圖8所示，在待測固體和折射棱鏡AB面上滴一滴接觸液（其折射率為n2，要求n2nx，一般用折射率較高的溴代苯），擴(kuò)展光源發(fā)出的光直接進(jìn)入待測固體（不用進(jìn)入光棱鏡），經(jīng)過接觸液進(jìn)入折射棱鏡，其中一部分光線在通過待測固體時(shí)，傳播方向平行于固體與接

15、觸液的交界面。當(dāng)時(shí)，由折射定律和幾何關(guān)系可得待測固體折射率為當(dāng)出射光線與頂角A分居于AC面法線兩側(cè)時(shí)，公式取“”號，反之，若在同側(cè)時(shí)，公式取“”號。由于折射棱鏡的n和A均已知，只要測出光線掠入射經(jīng)過待測固體時(shí)，由棱鏡AC面上出射極限角，由上式即可算出待測固體的折射率。用阿貝折射儀測量時(shí)，只要明暗分界線與望遠(yuǎn)鏡叉絲交點(diǎn)對準(zhǔn)，就可直接讀出nx值。接觸液的存在并不影響nx的測量，但只要求折射率。接觸液的作用是使得待測樣品面和折射棱鏡面形成良好的光學(xué)接觸，沒有空隙且有粘附性。此外，用反射光測定折射率的原理如附圖9所示，光由折射棱鏡的磨砂面BC進(jìn)入，此時(shí)BC面就成為一個(gè)擴(kuò)展面光源，到達(dá)AB面（與待測物質(zhì)

16、的接觸面）上任意一點(diǎn)的諸光線具有不同的入射角，凡入射角大于臨界角者，皆全反射，再經(jīng)AC面射出，用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)角方向，同樣觀察到明暗視場，但明暗差別不如透射光，而且明暗相對透射法測量顛倒。用反射光測量固體的折射率時(shí)，只需一個(gè)拋光面。附圖8 附圖9任何物質(zhì)的折光率都與測量時(shí)使用的光波的波長有關(guān)。阿貝折光儀因此有光補(bǔ)償裝置（阿米西棱鏡組），所以測量時(shí)可用白光光源，且測量結(jié)果相當(dāng)于對鈉黃光（）的折射率（即nD）。另外，液體的折射率還與溫度有關(guān)，因此若儀器接上恒溫器，則可測定溫度為0-50內(nèi)的折光率。二、阿貝折光儀的調(diào)節(jié)1、儀器的安裝將折光儀置于靠窗的桌子或白熾燈前。但勿使儀器置于直照的日光中，以避免液體

17、試樣迅速蒸發(fā)。用橡皮管將測量棱鏡和輔助棱鏡上保溫夾套的進(jìn)水口與超級恒溫槽串聯(lián)起來，恒溫溫度以折光儀上的溫度計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)。2、加樣松開鎖鈕，開啟輔助棱鏡，使其磨砂的斜面處于水平位置，用滴定管加小量丙酮清洗鏡面，促使難揮發(fā)的玷污物逸走，用滴定管時(shí)注意勿使管尖碰撞鏡面。必要時(shí)可用擦鏡紙輕輕吸干鏡面，但切勿用濾紙。待鏡面干燥后，滴加數(shù)滴試樣于輔助棱鏡的毛鏡面上，閉合輔助棱鏡，旋緊鎖鈕。若試樣易揮發(fā)，則可在兩棱鏡接近閉合時(shí)從加液小槽中加入，然后閉合兩棱鏡，鎖緊鎖鈕。3、對光轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使刻度盤標(biāo)尺上的示值為最小，于是調(diào)節(jié)反射鏡，使入射光進(jìn)入棱鏡組，同時(shí)從測量望遠(yuǎn)鏡中觀察，使視場最亮。調(diào)節(jié)目鏡，使視場準(zhǔn)絲最清

18、晰。4、粗調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使刻度盤標(biāo)尺上的示值逐漸增大，直至觀察到視場中出現(xiàn)彩色光帶或黑白臨界線為止。5、消色散轉(zhuǎn)動(dòng)消色散手柄，使視場內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)清晰的明暗臨界線。6、精調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使臨界線正好處在X形準(zhǔn)絲交點(diǎn)上，若此時(shí)又呈微色散，必須重調(diào)消色散手柄，使臨界線明暗清晰。（調(diào)節(jié)過程在目鏡看到的圖像顏色變化如下圖）7、讀數(shù)為保護(hù)刻度盤的清潔，現(xiàn)在的折光儀一般都將刻度盤裝在罩內(nèi)，讀數(shù)時(shí)先打開罩殼上方的小窗，使光線射入，然后從讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡中讀出標(biāo)尺上相應(yīng)的示值。由于眼睛在判斷臨界線是否處于準(zhǔn)絲點(diǎn)交點(diǎn)上時(shí)，容易疲勞，為減少偶然誤差，應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，重復(fù)測定三次，三個(gè)讀數(shù)相差不能大于，然后取其平均值。試樣的成分對折光

19、率的影響是極其靈敏的，由于玷污或試樣中易揮發(fā)組分的蒸發(fā)，致使試樣組分發(fā)生微小的改變，會導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)，因此測一個(gè)試樣須應(yīng)重復(fù)取三次樣，測定這三個(gè)樣品的數(shù)據(jù)，再取其平均值。8、儀器校正折光儀上的刻度是在標(biāo)準(zhǔn)溫度20下刻制的，所以最好在20下測定折射率。否則，應(yīng)對測定結(jié)果進(jìn)行溫度校正。純水的折光率在15到30之間的溫度系數(shù)為-，即在10 - 30C范圍內(nèi)，水溶液的折光率溫度校正公式為有機(jī)溶液的折光率溫度校正公式為由此可見，只有嚴(yán)格控制測定溫度，才能準(zhǔn)確測定物質(zhì)的折光率。一般來說，如果要求折光率的準(zhǔn)確度為，則溫度波動(dòng)應(yīng)小于3C；如果要求折光率的準(zhǔn)確度為，則溫度波動(dòng)應(yīng)小于C；如果要求折光率的準(zhǔn)確度為，則溫度波動(dòng)應(yīng)小于C。當(dāng)溫度低于10或高于30時(shí)，不能用上述校正公式進(jìn)行換算，而須通入恒溫水，使樣品達(dá)到規(guī)定溫度后，再測定折光率。折光儀的刻度盤上的標(biāo)尺的零點(diǎn)有時(shí)會發(fā)生移動(dòng)，須加以校正。校正的方法是用一種已