雙液系氣-液平衡相圖

1、雙液系的氣-液平衡相圖報(bào)告人：宋意海 班級：09應(yīng)化2Z 實(shí)驗(yàn)時間2011年04月15日一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測定常壓下環(huán)己烷乙醇二元系統(tǒng)的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪制沸點(diǎn)組成相圖。2掌握雙組分沸點(diǎn)的測定方法，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解分餾原理。3掌握阿貝折射儀的使用方法。二實(shí)驗(yàn)原理兩種液體物質(zhì)混合而成的兩組分體系稱為雙液系。根據(jù)兩組分間溶解度的不同，可分為完全互溶、部分互溶和完全不互溶三種情況。兩種揮發(fā)性液體混合形成完全互溶體系時，如果該兩組分的蒸氣壓不同，則混合物的組成與平衡時氣相的組成不同。當(dāng)壓力保持一定，混合物沸點(diǎn)與兩組分的相對含量有關(guān)。恒定壓力下，真實(shí)的完全互溶雙液系的氣液平衡相圖（Tx），根據(jù)體系對拉烏爾定律

2、的偏差情況，可分為三類：（1）一般偏差：混合物的沸點(diǎn)介于兩種純組分之間，如甲苯苯體系，如圖1(a)所示。（2）最大負(fù)偏差：混合物存在著最高沸點(diǎn)，如鹽酸水體系，如圖1 (b)所示。（3）最大正偏差：混合物存在著最低沸點(diǎn)，如正丙醇水體系，如圖1(c)）所示。圖1  完全互溶雙液系的相圖對于后兩種情況，為具有恒沸點(diǎn)的雙液系相圖。它們在最低或最高恒沸點(diǎn)時的氣相和液相組成相同，因而不能象第一類那樣通過反復(fù)蒸餾的方法而使雙液系的兩個組分相互分離，而只能采取精餾等方法分離出一種純物質(zhì)和另一種恒沸混合物。為了測定雙液系的Tx相圖，需在氣液平衡后，同時測定雙液系的沸點(diǎn)和液相、氣相的平衡組成。本實(shí)驗(yàn)以環(huán)

3、己烷乙醇為體系，該體系屬于上述第三種類型，在沸點(diǎn)儀（如圖2）中蒸餾不同組成的混合物，測定其沸點(diǎn)及相應(yīng)的氣、液二相的組成，即可作出Tx相圖。本實(shí)驗(yàn)中兩相的成分分析均采用折光率法。 折光率是物質(zhì)的一個特征數(shù)值，它與物質(zhì)的濃度及溫度有關(guān)，因此在測量物質(zhì)的折光率時要求溫度恒定。溶液的濃度不同、組成不同，折光率也不同。因此可先配制一系列已知組成的溶液，在恒定溫度下測其折光率，作出折光率組成工作曲線，便可通過測折光率的大小在工作曲線上找出未知溶液的組成。三儀器與試劑沸點(diǎn)儀，阿貝折射儀，調(diào)壓變壓器，超級恒溫水浴，溫度測定儀，長短取樣管。環(huán)己烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)X環(huán)己烷為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的

4、環(huán)己烷乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，各種組成的環(huán)己烷乙醇混和溶液。四實(shí)驗(yàn)步驟：1環(huán)己烷乙醇溶液折光率與組成工作曲線的測定調(diào)節(jié)恒溫槽溫度并使其穩(wěn)定，阿貝折射儀上的溫度穩(wěn)定在某一定值，測量環(huán)己烷乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的折光率。為了適應(yīng)季節(jié)的變化，可選擇若干溫度測量，一般可選25、30、35三個溫度。2測定待測溶液沸點(diǎn)和折光率（1）無水乙醇沸點(diǎn)的測定將干燥的沸點(diǎn)儀安裝好。從側(cè)管加入約20mL無水乙醇于蒸餾瓶內(nèi)，并使傳感器（溫度計(jì)）浸入液體內(nèi)。冷凝管接通冷凝水。按恒流源操作使用說明，將穩(wěn)流電源調(diào)至1.8-2.0A，使加熱絲將液體加熱至緩慢沸騰。液體沸騰后，待測溫溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定后應(yīng)再維持35min以使體系達(dá)到平衡。在這過程中，

5、不時將小球中凝聚的液體傾入燒瓶。記下溫度計(jì)的讀數(shù)，即為無水乙醇的沸點(diǎn)，同時記錄大氣壓力。（2）測定系列濃度待測溶液的沸點(diǎn)和折光率同（1）操作，從側(cè)管加入約20mL預(yù)先配制好的1號環(huán)己烷乙醇溶液于蒸餾瓶內(nèi)，并使傳感器（溫度計(jì)）浸入溶液內(nèi),將液體加熱至緩慢沸騰。因最初在冷凝管下端內(nèi)的液體不能代表平衡氣相的組成，為加速達(dá)到平衡，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（注意：加熱時間不宜太長，以免物質(zhì)揮發(fā)），待溫度穩(wěn)定后，記下溫度計(jì)的讀數(shù)，即為溶液的沸點(diǎn)。切斷電源，停止加熱，分別用吸管從小槽中取出氣相冷凝液、從側(cè)管處吸出少許液相混液，迅速測定各自的折光率。剩余溶液倒入回收瓶

6、。按1號溶液的操作，依次測定2、3、4、5、6、7、8號溶液的沸點(diǎn)和氣液平衡時的氣，液相折光率。（3）環(huán)己烷沸點(diǎn)的測定同（1）操作，測定環(huán)己烷的沸點(diǎn)。測定前應(yīng)注意，必須將沸點(diǎn)儀洗凈并充分干燥。五實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理環(huán)己烷乙醇混和液測定數(shù)據(jù)濃度沸點(diǎn) 沸點(diǎn) K氣相折光率液相折光率氣相實(shí)際濃度液相實(shí)際濃度0.00 78.4 351.550.05 77.6 350.75214.175282.463 0.9980 0.0010 0.10 77.3 350.45213.875282.163 0.9000 0.0100 0.25 73.7 346.85210.275278.563 0.8000 0.0150

7、0.35 68.7 341.85205.275273.563 0.6514 0.0880 0.75 63.8 336.95200.375268.663 0.5398 0.3270 0.80 64.0 337.15200.575268.863 0.4946 0.6833 0.90 68.8 341.95205.375273.663 0.3406 0.9600 0.95 79.5 352.65216.075284.363 0.1281 0.9800 1.00 80.7 353.851作出環(huán)己烷乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液的折光率組成關(guān)系曲線。2根據(jù)工作曲線插值求出各待測溶液的氣相和液相平衡組成，填入表中。以組成為

8、橫軸，沸點(diǎn)為縱軸，繪出氣相與液相的沸點(diǎn)組成(T-x)平衡相圖。3由圖找出其恒沸點(diǎn)及恒沸組成。答：由圖知：恒沸點(diǎn)為64.1，恒沸點(diǎn)組成為X環(huán)己烷=0.54 X乙醇=0.46六注意事項(xiàng)1加熱電阻絲一定要被欲測液體浸沒，否則通電加熱時可能會引起有機(jī)液體燃燒；所加電壓不能太大，加熱絲上有小氣泡逸出即可。2取樣時，先停止通電再取樣。3每次取樣量不宜過多，取樣管一定要干燥，不能留有上次的殘液，氣相部分的樣品要取干凈。4阿貝折射儀的棱鏡不能用硬物觸及（如滴管），擦拭棱鏡需用擦鏡紙七思考題1取出的平衡氣液相樣品，為什么必須在密閉的容器中冷卻后方可用以測定其折射率？ 答：因?yàn)檫^熱時將導(dǎo)致液相線向高溫處移動，氣相

9、組分含有的易揮發(fā)成份偏多，該氣相點(diǎn)會向易揮發(fā)組分那邊偏移。所以要在密閉容器中冷卻。2平衡時，氣液兩相溫度是否應(yīng)該一樣，實(shí)際是否一樣，對測量有何影響？答：不一樣，由于儀器保溫欠佳，使蒸氣還沒有到達(dá)冷凝小球就因冷凝而成為液相。3如果要測純環(huán)己烷、純乙醇的沸點(diǎn)，蒸餾瓶必須洗凈，而且烘干，而測混合液沸點(diǎn)和組成時，蒸餾瓶則不洗也不烘，為什么?答：測試純樣時，如沸點(diǎn)儀不干凈，所測得沸點(diǎn)就不是純樣的沸點(diǎn)。測試混合樣時，其沸點(diǎn)和氣、液組成都是實(shí)驗(yàn)直接測定的，繪制圖像時只需要這幾個數(shù)據(jù)，并不需要測試樣的準(zhǔn)確組成，也跟式樣的量無關(guān)。4如何判斷氣液已達(dá)到平衡狀態(tài)？討論此溶液蒸餾時的分離情況？答：當(dāng)溫度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定的時

10、候表示氣液已達(dá)到平衡狀態(tài)；5為什么工業(yè)上常產(chǎn)生95酒精？只用精餾含水酒精的方法是否可能獲的無水酒精？ 答：因?yàn)榉N種原因在此條件下，蒸餾所得產(chǎn)物只能得95%的酒精。不可能只用精餾含水酒精的方法獲得無水酒精，95%酒精還含有5%的水，它是一個沸點(diǎn)為的共沸物，在沸點(diǎn)時蒸出的仍是同樣比例的組分，所以利用分餾法不能除去5%的水。工業(yè)上無水乙醇的制法是先在此基礎(chǔ)上加入一定量的苯，再進(jìn)行蒸餾。八、文獻(xiàn)值表1標(biāo)準(zhǔn)壓力下環(huán)己烷乙醇體系相圖的恒沸點(diǎn)數(shù)據(jù)沸點(diǎn)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)X環(huán)己烷64.94064.829.20.570 64.831.40.545 64.930.50.555 表2 25時環(huán)己烷乙醇體系的折光率組成關(guān)系x

11、乙醇 x環(huán)己烷nD251.00 0.00 1.36 0.90 0.10 1.37 0.79 0.21 1.38 0.71 0.29 1.38 0.59 0.41 1.39 0.50 0.50 1.40 0.40 0.60 1.40 0.30 0.70 1.41 0.21 0.80 1.41 0.10 0.90 1.42 0.00 1.00 1.42 九、創(chuàng)新性啟示 1被測體系的選擇本實(shí)驗(yàn)所選體系，沸點(diǎn)范圍較為合適。由通過實(shí)驗(yàn)繪制的相圖可知，該體系與拉烏爾定律比較存在嚴(yán)重正偏差。作為有最小值的Tx相圖，該體系有一定的典型意義。但相圖的液相線較為平坦，在有限的學(xué)時內(nèi)不可能將整個相圖精確繪出。有些教學(xué)實(shí)驗(yàn)選用苯乙醇體系，盡管其液相線有較佳極值，考慮到苯的毒性，未予選用。2沸點(diǎn)測定儀儀器的設(shè)計(jì)必須方便于沸點(diǎn)和氣、液兩相組成的測定。蒸氣冷凝部分的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵之一。若收集冷凝液的凹形半球容積過大，在客觀上即造成溶液的分餾；而過小則會因取樣太少而給測定帶來一定困難。連接冷凝管和圓底燒瓶之間的連管過短或位置過低，沸騰的液體就有可能濺入小球內(nèi)；相反，則易導(dǎo)致沸點(diǎn)較高的組分先被冷凝下來，這樣一來，氣相樣品組成將有偏差。在化工實(shí)驗(yàn)中，可用羅斯（Rose）平衡釜測得平衡時的溫度及氣、液相組成數(shù)據(jù)，效果較好。3組成測定可以用相對密度或其它方法進(jìn)行測定，但折光率的測定快速、簡單，特別是所需樣品量較少，這對于本