水—正丙醇雙液系的氣液平衡相圖

1、水正丙醇雙液系的氣液平衡相圖 PB10。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)系摘要 本實(shí)驗(yàn)探討了正丙醇水雙液系的氣液平衡相圖。利用阿貝折射儀和沸點(diǎn)儀分別測定體系的組成以及沸點(diǎn)，并利用氣液平衡相圖確定該體系的最低恒沸溫度及恒沸混合物的組成，進(jìn)一步理解分餾原理。關(guān)鍵詞 雙液系 氣液平衡相圖 最低恒沸點(diǎn)前言 雙液系，即常溫下兩液態(tài)物質(zhì)混合而成的體系，從拉烏爾定律可以看出，飽和蒸氣壓與其組成有關(guān)。而液體的沸點(diǎn)指的是液體的蒸汽壓與外壓相等時(shí)的溫度，故而雙液系的沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān)還與其組成有關(guān)。要得到具體的關(guān)系可以通過其氣液相圖表示，即用通用幾何作圖的方法將雙液系的沸點(diǎn)分別對其氣相、液相作圖，即Tx相圖。而實(shí)際溶液

2、由于AB組分相互影響，常與拉烏爾定律有較大的偏差，在TX圖中可能有最低和最高點(diǎn)出現(xiàn)，這些點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)，其相應(yīng)的溶液稱為恒沸點(diǎn)混合物。恒沸混合物蒸餾所得的氣相與液相組成相同。在本實(shí)驗(yàn)中，我們利用沸點(diǎn)儀測出混合液的沸點(diǎn)，用阿貝折射儀測出氣相和液相混合液的折射率，進(jìn)而求出其組成，最后得到正丙醇水的氣液相圖，進(jìn)而得到恒沸點(diǎn)以及恒沸混合物的組成，還可以根據(jù)相圖進(jìn)一步理解蒸餾和精餾的原理。實(shí)驗(yàn)部分1、 儀器與試劑試劑：正丙醇（分析純） 蒸餾水儀器：阿貝折射儀1臺(tái) 上海電光儀器儀表有限公司 HK-2A超級恒溫水浴1臺(tái) 南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所 YP-2B精密穩(wěn)流電源1臺(tái) 南京南大萬和科技有限公司 水銀溫度計(jì)（

3、50100，分度為0.1）1支 （050，分度為0.1）1支 10ml、20ml移液管各一只 干燥長、短吸管、小試管和小玻璃瓶 各8支 擦鏡紙若干2、 實(shí)驗(yàn)步驟1.儀器安裝于調(diào)整： 調(diào)節(jié)恒溫槽溫度并使其穩(wěn)定，使阿貝折射儀上的溫度穩(wěn)定在25左右，用純水校正阿貝折射儀。按右圖所示安裝沸點(diǎn)儀，使溫度計(jì)B與加熱絲之間要有一定的距離。2、從正丙醇開始測量： （1） 用50mL的移液管從支管L中加入正丙醇溶液50mL，浸沒加熱絲，水銀溫度計(jì)的水銀球一半在溶液中，一半在蒸汽中。夾上電熱絲夾，打開冷卻水，插上電源，調(diào)節(jié)變壓器電壓由零慢慢增加，觀察加熱絲上是否有小氣泡逸出，電壓控制在20V以內(nèi)，溶液會(huì)慢慢沸騰。

4、體系中的蒸汽經(jīng)冷凝管冷凝后，聚于小球D中。冷凝液不斷地沖刷D球，必要時(shí)可將D球中的冷凝液傾入燒瓶中，觀察B溫度計(jì)上的讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)體系處于平衡狀態(tài)，調(diào)整G溫度計(jì)到橡皮塞與讀數(shù)中間處；再穩(wěn)定57分鐘，準(zhǔn)確記下溫度計(jì)上t觀和t環(huán)。并記下橡皮塞處溫度計(jì)的讀數(shù)。切斷電源。 （2）取樣并測定組成（折光率）： 用干燥的滴定管自冷凝管中取出小球D內(nèi)的全部氣相冷凝液，用另一支干燥吸管從L口中取液相液1mL左右，分別放入帶有磨口的小試管中，并將試管置于一盛有冷水的小燒瓶中讓其冷卻，防止揮發(fā)。觀察阿貝折射儀上的溫度是否正確，用丙酮棉球擦拭鏡面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。把待測的氣相液，液相液分別滴于鏡面上迅速測量。每個(gè)

5、樣品測量23次，取讀數(shù)的平均值。（3）不同濃度測量： 依次向燒瓶中加入0.5，1，1.5，2，2.5，4，6mL的水，仍按步驟23逐一進(jìn)行測量，分別得到不同組成時(shí)的汽相、液相的折光率及各自的沸點(diǎn)。3、從水開始測量： 用20mL的移液管加入40mL蒸餾水，按以上方法測量水的折光率和沸點(diǎn)，并逐一加入0.5，1，1.5，2，4，10，20mL的正丙醇，改變體系的總組成，測量氣液平衡時(shí)各個(gè)樣品的折光率和沸點(diǎn)。結(jié)果與討論1.正丙醇水雙液系濃度與折光率間的關(guān)系 由圖1圖4可以知道，液體的折光率不僅與溫度有關(guān)，還與液體的組成有關(guān)，而且隨著溶液濃度的變化成一定的變化趨勢。從水正丙醇折射率工作曲線可以查出，在3

6、0，純水的折射率為：1.3319，正丙醇的折射率為：1.3841，從圖中可以看出，水正丙醇雙液系的折射率處于純水與正丙醇之間，而且隨著正丙醇濃度的增加其折射率呈增大趨勢。2.正丙醇水雙液系氣液平衡相圖分析 在圖5氣液平衡相圖中，可觀察到由正丙醇純水體系汽相、液相的百分含量將隨著正丙醇濃度的增加向著升高的方向移動(dòng)，起初氣液兩相百分含量的讀數(shù)相差較小，然后相差慢慢增加，又慢慢減小，直至相等。表示此時(shí)已達(dá)到最低恒沸點(diǎn)組成，此組成為最低恒沸點(diǎn)混合物。但是由于種種誤差導(dǎo)致相圖中的氣液線并不能很好的相交，而且從圖中的點(diǎn)可以看出有少數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離理想氣液線很遠(yuǎn)，甚至在達(dá)到恒沸點(diǎn)前有沸點(diǎn)先降低再升高的現(xiàn)象，所以

7、為了更好的尋找到恒沸點(diǎn)，以及恒沸混合物的組成，采用氣相和液相單獨(dú)分析在組合的方法來處理數(shù)據(jù)點(diǎn)。 從圖中可以得到恒沸點(diǎn)為86.40，恒沸混合物中正丙醇的質(zhì)量百分比濃度為72.97%，而理論上，正丙醇純水雙液系的恒沸點(diǎn)在87左右，而正丙醇含量應(yīng)該在6971%之間。雖然恒沸點(diǎn)沒有太大的誤差，但是恒沸混合物組成上卻有較大的差異，可能是由于：1 在實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝的蒸汽進(jìn)入D小球，但是在達(dá)到平衡之前，雖然過程中將D中的冷凝液用吸管取出，重新收集，但D中的冷凝液并不是氣液達(dá)到平衡時(shí)的氣相組成，而是實(shí)驗(yàn)過程中所冷凝的氣相，這導(dǎo)致所收集的氣相的濃度較平衡時(shí)的濃度要小，對于氣液相圖有一定得影響。2 氣相冷凝過程

8、中的分餾作用，對于氣液兩相的組成有一定的影響。3 實(shí)驗(yàn)中，加熱絲與溫度計(jì)B之間的距離也會(huì)影響到沸點(diǎn)。在加熱絲加熱過程中，加熱絲上產(chǎn)生的熱量有一部分會(huì)傳遞給溫度計(jì)B，使得溫度計(jì)實(shí)際上所測得的溫度要比實(shí)際的溫度要高，而對于不同的實(shí)驗(yàn)員影響的結(jié)果也不同，實(shí)驗(yàn)中是有兩個(gè)人共同完成一份相圖，所以相圖結(jié)合時(shí)會(huì)有一些誤差，而且接合處并不緊密。4 實(shí)驗(yàn)過程中，由于氣液兩相的組成一直在改變，即使達(dá)到了平衡處（沸點(diǎn)處）仍有少許的波動(dòng)，給讀數(shù)帶來了一定得困難，并對于數(shù)據(jù)造成了些許誤差。5 實(shí)驗(yàn)的溫度為13.85，而理論數(shù)據(jù)是30。6 取出的液體會(huì)先放在試管或玻璃瓶中一段時(shí)間，正丙醇可能已揮發(fā)一部分。7 實(shí)驗(yàn)室兩人合

9、作，數(shù)據(jù)的讀取方面會(huì)有偶然誤差。8 處理數(shù)據(jù)時(shí)是用origin在曲線上找點(diǎn)讀數(shù)，受處理人員的主觀因素影響很大，同時(shí)軟件精度也有限，很難找到準(zhǔn)確點(diǎn)，這個(gè)因素影響其實(shí)很大，故得到的圖形只能作定性分析使用。3. 實(shí)驗(yàn)小結(jié) 雙液系溶液沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān)，而且與雙液系的物質(zhì)組成有關(guān)，并且在一般情況下，雙液系的氣相組成與液相組成并不相同。液體的折射率不僅與溫度有關(guān)還與溶液的組成有關(guān)。對于雙液系，其氣液相圖一般都含有最低點(diǎn)或是最高點(diǎn)，該點(diǎn)即為恒沸點(diǎn)。對于正丙醇純水雙液系，其折光率介于量純物質(zhì)之間，而且隨著正丙醇濃度的增加，有增大的趨勢，實(shí)驗(yàn)中測得其恒沸點(diǎn)為86.36，恒沸混合物中正丙醇的質(zhì)量百分比濃度為74

10、.34%。分餾，即各種物質(zhì)在加熱冷凝過程中由于沸點(diǎn)不同而在冷凝液中含量不同，經(jīng)過多次分餾后，可以得到近乎純凈的物質(zhì)。4. 個(gè)人體會(huì) 整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作比較簡單，實(shí)驗(yàn)原理也很明確，只是數(shù)據(jù)處理時(shí)有些繁瑣和難度，從最終的相圖來看，實(shí)驗(yàn)還是較成功的。 這次實(shí)驗(yàn)第一次使用了阿貝折射率儀，驟然感覺到光學(xué)儀器的精密，畢竟精確到小數(shù)點(diǎn)后面這么多位的儀器也屈指可數(shù)的，一直以為十分復(fù)雜難測的一個(gè)相圖居然只用了一個(gè)下午就把畫出來了。 這次實(shí)驗(yàn)接觸了一些新的處理數(shù)據(jù)的方法，如露莖校正等，而且還學(xué)會(huì)了不少作圖技巧。參考資料1.物理化學(xué)（南京大學(xué) 物理化學(xué)教研室 傅獻(xiàn)彩 沈文霞 姚天揚(yáng) 編 2011）2.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)電子版講

11、義（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 劉光明 2012）Abstract We have exploited the liquid-vapor equilibrate phase diagram of 1-proponal and water binary liquid systems .In this experiment, an ebulliometer is used to measure the boiling points of systems with different ratios of 1-proponal to water, and a Abbe refractormeter is use

12、d to obtain the ratios by measuring the refractive indexes. By analyzing the phase diagram, we could confirm the permanent boiling point as well as the ingredient of that mixture. By the way ,we could comprehend the theory of fractionation better.附件：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 1.實(shí)驗(yàn)條件： 室溫t=(13.85+13.85)/2/=13.85 大氣壓p=（76

13、8.65+769.80)/2mmHg=769.22mmHg 查詢資料可得合肥地區(qū)重力加速度為：g合肥=9.7948m/s2;水銀的密度：水銀=13.6g/cm3 p=0.76922×9.7948×13.6×103kPa=102.467kPa 2.沸點(diǎn)、折光率記錄及處理（1） 由蒸餾水出發(fā)，逐步添加一定量的正丁醇1 阿貝折射儀測得蒸餾水的折射率為：1.3323 理論值：1.3319，折射率測了三次，下表中已經(jīng)取平均值，并已轉(zhuǎn)化為理論值處理；正丙醇水溶液工作曲線如下圖(用origin可讀數(shù))用origin軟件從上圖可以由折射率讀出正丙醇的百分含量；2 前七組數(shù)據(jù)t橡=

14、62.25，后來一組由于加的水量多，為保證水銀球一半在液體中一半在氣態(tài)中，故調(diào)整為t橡=60.80露莖校正:t 露/=1.6×10-4·n·(t 觀-t 環(huán))壓力校正:（p=102467Pa）校正后，溶液的正常沸點(diǎn)為：t 沸=t 觀+t 壓+t 露因此，可得數(shù)據(jù)表如下：溫度計(jì)B t觀/溫度計(jì)G t環(huán)/修正后溫度t沸/氣相折射率液相折射率氣相百分含量 %液相百分含量 %99.9519.60100.111.33201.33190.22220.222299.6518.2099.761.35021.332121.840.515798.8517.9598.951.35451

15、.332128.640.515797.2017.2597.271.36521.333149.031.44594.4518.3094.471.37171.335463.273.40290.6017.5090.561.37401.341570.3110.2588.4016.2088.331.37551.353474.2026.6887.9017.0087.821.37501.364372.3146.78根據(jù)氣相、液相的折光率及對應(yīng)的正丙醇百分含量可作圖1、圖2如下： 圖1圖2（2） 由純正丙醇（50ml）出發(fā)，逐步添加一定量的蒸餾水（以下原始數(shù)據(jù)來自呂媛媛）阿貝折射儀測得蒸餾水的折射率為：1.33

16、14 理論值：1.3319t橡=66.4，其他處理與（1）相同。溫度計(jì)B t觀/溫度計(jì)G t環(huán)/修正后溫度t沸/氣相折射率液相折射率氣相百分含量 %液相百分含量 %96.6515.7596.721.38171.381698.8798.1495.2515.2595.301.38021.381890.6199.1792.5815.8592.581.37851.380484.7892.3790.4815.4590.441.37691.381278.9195.5088.8515.4588.791.37591.380875.4493.5488.0016.0587.921.37591.379775.4488.8087.5815.8087.501.37551.378074.5182.7386.5515.5286.451.37531.374873.4073.00根據(jù)氣相、液相的折光率及對應(yīng)的正丙醇百分含量可作圖3、圖4如下：圖3圖43. 合并2中16組t沸及氣相和液相的百分含量數(shù)據(jù)，并調(diào)整好順序，用origin作出圖5。序號t沸/氣相百分含量 %液相百分含量 %1100.110.22220.2222299.7621.840.5157398.9528.640.5157497.2749.031.445594.4763.273.402690.5670.3110.25788.3375.226.6888