實(shí)驗(yàn)五雙液系的氣液平衡相圖

1、實(shí)驗(yàn)五雙液系的氣液平衡相圖劉明星PB10207078單位:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院摘要:完全互溶雙液系的飽和蒸汽壓與體系的組成有關(guān),當(dāng)完全互溶雙液系的飽和蒸汽壓與外界大氣壓相等時(shí)液體沸騰,通常用幾何作圖的方法將雙液系的沸點(diǎn)對(duì)其氣相、液相組成作圖,所得圖形稱為雙液系T-x相圖,在一定溫度下還可畫出體系的壓力P與組成的P-x 關(guān)系圖,液體組成可以用阿貝折射儀來測(cè)量,沸點(diǎn)儀用來測(cè)得氣液兩相的平衡溫度。關(guān)鍵詞:沸點(diǎn),完全互溶雙液系,阿貝折射儀,調(diào)壓變壓器T-x相圖,P-x關(guān)系圖。前言:用沸點(diǎn)儀和阿貝折射儀確定其最低恒沸點(diǎn)溫度及恒沸混合物的組成。用折光率確定雙組分體系的組成,據(jù)此作出一個(gè)大氣壓下水正

2、丙醇雙液系的氣液平衡相圖,并且確定其最低恒沸點(diǎn)溫度及恒沸混合物的組成。實(shí)驗(yàn)原理:在常溫下,兩液態(tài)物質(zhì)混合而成的體系稱為雙液系。兩液體若只能在一定比例范圍內(nèi)互相溶解,稱為部分互溶雙液系,若兩液體能以任意比例相互溶解,則稱為完全互溶雙液系。例如:苯-乙醇體系,正丙醇-水體系,環(huán)己烷乙醇體系都是完全互溶雙液系,苯-水體系則是部分互溶雙液系。液體的沸點(diǎn)是指液體的蒸氣壓與外壓相等時(shí)的溫度。在一定的外壓下,純液體的沸點(diǎn)有確定的值。但對(duì)于雙液系來說,沸點(diǎn)不僅與外壓有關(guān),而且還與雙液系的組成有關(guān),即與雙液系中兩種液體的相對(duì)含量有關(guān)。雙液系在蒸餾時(shí)具有另一個(gè)特點(diǎn)是:在一般情況下,雙液系的氣相組成和液相組成并不相

3、同。因此原則上有可能用反復(fù)蒸餾的方法,使雙液系中的兩液體互相分離。通常用幾何作圖的方法將雙液系的沸點(diǎn)對(duì)其氣相、液相組成作圖,所得圖形稱為雙液系T-x相圖,在一定溫度下還可畫出體系的壓力P與組成的P-x關(guān)系圖。完全互溶雙液系在恒定壓力下的氣液平衡相圖可分為三類:如果溶液與拉烏爾定律的偏差不大,在Tx圖上,溶液的蒸汽壓和沸點(diǎn)介于A,B兩純組分蒸汽壓及沸點(diǎn)之間,如甲苯-苯體系(圖5-1所示,為第一類。實(shí)際溶液由于AB兩組分的相互影響,常與拉烏爾定律有較大的偏差。在TX圖上可能有最低和最高點(diǎn)出現(xiàn)。如圖(5-2、(5-3所示。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

4、的組成相同。如:鹽酸水體系具有最高恒沸點(diǎn),為第二類;正丙醇水等體系具有最低恒沸點(diǎn),為第三類。外界壓力不同時(shí),同一雙液系的相圖也不盡相同,所以恒沸點(diǎn)和恒沸點(diǎn)混合物的組成還與外壓有關(guān),一般在未注明壓力時(shí),通常都指外壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值(1大氣壓或101325Pa。 圖5-1 完全互溶體系的一種蒸餾相圖 圖5-2,3 完全互溶雙液系的另兩種類型相圖從相律來看,對(duì)二組分體系,當(dāng)壓力恒定時(shí),在汽液二相共存區(qū)域中,自由度等于1,若溫度一定,汽液兩相成分也就確定。當(dāng)總成分一定時(shí),由杠桿原理知,兩相的相對(duì)量也一定。反之,在一定的實(shí)驗(yàn)裝置中,利用回流冷凝的方法保持氣液兩相相對(duì)量一定,則體系的溫度恒定。此時(shí),取出兩

5、相中的樣品,用物理方法或化學(xué)方法分析兩相的成分,可給出在該溫度時(shí)氣液兩相平衡成分的坐標(biāo)點(diǎn)。改變體系的總成分,再如上法可找出另一對(duì)坐標(biāo)點(diǎn),這樣測(cè)得若干對(duì)坐標(biāo)后,分別按氣相點(diǎn)和液相點(diǎn)連成氣相線和液相線,即得雙液系的T -X 相圖。本實(shí)驗(yàn)兩相中的成分分析均采用折光率法,溶液折光率的測(cè)定,請(qǐng)看附錄說明書。物質(zhì)的折光率是一特征數(shù)值,它與物質(zhì)的濃度及溫度有關(guān)。大多數(shù)液態(tài)有機(jī)化合物的折光率的溫度系數(shù)為-0.0004,因此在測(cè)量物質(zhì)的折光率時(shí)要求溫度恒定。一般溫度控制在±0.2時(shí),能從阿貝折射儀上準(zhǔn)確測(cè)到小數(shù)點(diǎn)后4位有效數(shù)字。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,已知濃度

6、的溶液,在恒定溫度下測(cè)其折光率,作出組成折光率工作曲線,便可通過測(cè)折光率的大小在工作曲線上找出未知溶液的濃度與組成。沸點(diǎn)儀的構(gòu)造及沸點(diǎn)的測(cè)定:沸點(diǎn)儀的設(shè)計(jì)雖各有異,但其設(shè)計(jì)思想都集中在如何正確地測(cè)定沸點(diǎn)和氣液相的組成,以及防止過熱和避免分餾等方面。我們所使用的沸點(diǎn)儀如圖5-4所示:這是一只帶有回流冷凝管的長(zhǎng)頸圓底燒瓶,冷凝管底部有一球形小室D ,用以收集冷凝下來的汽相樣品。液相樣品則通過燒瓶上的支管L 抽取,圖中E 是一根用300W 的電爐絲截制而成的電加熱絲,直接浸入溶液中加熱,以減少溶液沸騰時(shí)的過熱暴沸現(xiàn)象。溫度計(jì)安裝時(shí)須注意使水銀球一半浸在液面下,一半露在蒸氣中,并在水銀球外圍套一小玻璃

7、管C ,這樣,溶液沸騰時(shí),在氣泡的帶動(dòng)下,使氣液不斷噴向水銀球而自玻璃管上端溢出;小玻璃管C 還可減少沸點(diǎn)周圍環(huán)境(如空氣流動(dòng)或其它熱源的輻射對(duì)溫度計(jì)讀數(shù)可能引起的波動(dòng),因此這樣測(cè)得的溫度就能較好地代表氣液兩相的平衡溫度。分析平衡時(shí)氣相和液相的組成,須正確取得氣相和液相樣品。沸點(diǎn)儀中蒸氣的分餾作用會(huì)影響氣相的平衡組成,使取得的氣相樣品的組成與氣液平衡時(shí)的組成產(chǎn)生偏差,因此要減少氣相的分餾作用。本實(shí)驗(yàn)中所用沸點(diǎn)儀是將平衡時(shí)的蒸氣凝聚在小球D 內(nèi),在容器A 中的溶液不會(huì)濺入小球D 的前提下,盡量縮短小球D 與大球A 的距離,為防止分餾,盡量減少小球D 的體積即可達(dá)此目的。為了加速達(dá)到體系的平衡,可

8、把D 球中最初冷凝的液體傾回到容器A 中。沸點(diǎn)的測(cè)定:用玻璃水銀溫度計(jì)測(cè)量溶液的沸點(diǎn),如圖5-5,固定在沸點(diǎn)儀上的水銀溫度計(jì)是全浸式的,使用時(shí)除了要對(duì)溫度計(jì)的零點(diǎn)和刻度誤差等因素進(jìn)行校正外,還應(yīng)作露莖校正。這是由于溫度計(jì)未能完全置于被測(cè)體系中而引起的。根據(jù)玻璃與水銀膨脹系數(shù)的差異,校正值的計(jì)圖5-4 沸點(diǎn)儀A-盛液容器; B-測(cè)量溫度計(jì);C-小玻管; D-小球; E-電熱絲F-冷凝管; G-溫度計(jì); L-支管算式為:t露/=1.610-4·n·(t觀-t環(huán)校正的方法是在測(cè)量沸點(diǎn)的溫度計(jì)B旁再固定一支同樣精度的溫度計(jì)G,G的水銀球底部應(yīng)置于測(cè)量溫度計(jì)沸點(diǎn)穩(wěn)定值至固定溫度計(jì)橡皮

9、塞露出那一段水銀柱的中部。讀沸點(diǎn)時(shí)同時(shí)讀取溫度計(jì)G上的讀數(shù),得到溫度t觀和t環(huán)。在測(cè)量過程中,由于組成的變動(dòng),t觀也在變動(dòng),因此溫度計(jì)G的位置也應(yīng)隨著沸點(diǎn)穩(wěn)定值而進(jìn)行調(diào)整,始終讓其置于溫度計(jì)B露出水銀柱的中部。式中的n是露出那段水銀柱的長(zhǎng)。1.610-4是水銀對(duì)玻璃的相對(duì)膨脹系數(shù)。沸點(diǎn)除了要進(jìn)行露莖校正外,還需要進(jìn)行壓力校正。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下(P=760mmHg或101325Pa測(cè)得的沸點(diǎn)為正常沸點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量時(shí),壓力一般都不恰好為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。應(yīng)用特魯頓規(guī)則及克勞修斯-克拉貝龍公式,可得溶液沸點(diǎn)隨大氣壓變動(dòng)而變動(dòng)的近似值:t C t C P Pa/(./(/=+-273151010132510132

10、5校正后,溶液的正常沸點(diǎn)為:t沸=t觀+t壓+t露 圖5-5 溫度計(jì)露莖校正示意圖四、儀器與藥品:沸點(diǎn)儀1套阿貝折射儀1臺(tái)調(diào)壓變壓器1只超級(jí)恒溫水浴1臺(tái)水銀溫度計(jì)(50100,分度為0.11支(0-50,分度為0.11支10mL,20mL,50mL移液管各1支干燥吸管20-30支擦鏡紙正丙醇(純度99.5%H2O。五、實(shí)驗(yàn)步驟:1、正丙醇-水溶液折光率與組成工作曲線的測(cè)定:(1配制正丙醇的質(zhì)量百分比為10%、20%、30%、40%、55%、70%、80%、90%的正丙醇水溶液各10mL。準(zhǔn)確計(jì)算正丙醇和水的量,用分析天平準(zhǔn)確稱量,為避免樣品在稱量過程中揮發(fā),應(yīng)盡量做到動(dòng)作迅速。各個(gè)溶液確切的組

11、成可按實(shí)際稱量結(jié)果計(jì)算。(2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)定在某一定值,用純水校正阿貝折射儀,并測(cè)量上述溶液的折光率。為了適應(yīng)季節(jié)的變化,可選擇若干溫度測(cè)量,一般可選25、30、35三個(gè)溫度。(3在坐標(biāo)紙上繪制不同溫度時(shí)正丙醇-水溶液的組成與折光率工作曲線。2、安裝沸點(diǎn)儀:將烘干的沸點(diǎn)儀按圖5-4安裝好,注意帶有溫度計(jì)和加熱絲的橡皮塞要塞緊,不要觸及燒瓶底部,溫度計(jì)和加熱絲之間要有一定的距離,裝上輔助溫度計(jì)G。操作時(shí)要小心,防止打破水銀溫度計(jì)。3、測(cè)正丙醇的沸點(diǎn):用50mL的移液管從支管L中加入正丙醇溶液50mL,注意觀察電加熱絲是否全部浸沒在溶液中,水銀溫度計(jì)的水銀球是否一

12、半在溶液中,一半在蒸汽中。否則應(yīng)調(diào)整好。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。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)到正確位置;再穩(wěn)定5-7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。4、取樣并測(cè)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

13、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(cè)的氣相液,液相液分別滴于鏡面上迅速測(cè)量。每個(gè)樣品測(cè)量2-3次,取讀數(shù)的平均值。5、用10mL移液管移取H2O 0.5 mL,從支管L加入燒瓶中,以改變?nèi)芤旱目偨M成,按步驟3-4測(cè)量新體系中的液相、氣相的折光率和平衡時(shí)的t觀和t環(huán)。6、依次向燒瓶中加入1,1.5,2,2.5,4,6mL的水,仍按步驟3-4逐一進(jìn)行測(cè)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)。7、把該混合液置于試劑瓶中,用蒸餾水反復(fù)洗滌燒瓶;并用20mL的移液管加入40mL 蒸餾水,按以上方法測(cè)量水的折光率和

14、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(cè)量氣液平衡時(shí)各個(gè)樣品的折光率和沸點(diǎn)。8、由以上測(cè)得的個(gè)點(diǎn)汽相、液相樣品的折光率,從工作曲線上查找出其對(duì)應(yīng)的組成。在實(shí)驗(yàn)過程中,可觀察到由正丙醇純水體系汽相、液相的折光率將向著降低或升高的方向移動(dòng),起初氣液兩相折光率的讀數(shù)相差較小,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。該體系的最低恒沸點(diǎn)在87左右,正丙醇含量在6971%之間。9、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),先讓老師審查實(shí)驗(yàn)結(jié)果,然后再拆除實(shí)驗(yàn)裝置,做好衛(wèi)生,方可離開實(shí)驗(yàn)室。整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要的時(shí)間較長(zhǎng),故在實(shí)驗(yàn)中可由兩同學(xué)分別

15、從水,從正丙醇開始做,各自進(jìn)行一半的測(cè)量,共同完成一相圖。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng):1、加熱電阻絲一定要被欲測(cè)液體浸沒,否則通電加熱時(shí)可能會(huì)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;溫度計(jì)的水銀球不要直接碰到加熱絲。2、一定要使體系達(dá)到氣液平衡,即溫度讀數(shù)要穩(wěn)定,然后再取樣;先停止通電再取樣。3、注意保護(hù)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、數(shù)據(jù)記錄及處理:室溫:初16.4;大氣壓:76.08KPa (實(shí)驗(yàn)前末15.6;大氣壓:76.10KPa (實(shí)驗(yàn)后由于折射率與正丙醇mol分?jǐn)?shù)成正比故N=1.3825-0.0795X 算出物質(zhì)組成。;組成:水入0 0

16、.5 1 1.5 2 2.5 4 6 醇T觀、C 98.03 97.3 96.1 98.08 93.34 92.6 91.95 91.92T環(huán)、C 18.9 18.6 17.8 18.11 17.5 18.2 18.23 18.55折射率1 1.3804 1.3801 1.3782 1.3775 1.377 1.3763 1.376 氣1.3807 1.38 1.3781 1.3774 1.377 1.3763 1.37551.381 1.3799 1.3781 1.3775 1.3771 1.3765 1.3759 折射率1.3825 1.3807 1.38 1.3781 1.3775 1.

17、377 1.3764 1.3758 均折射率1 1.3823 1.3816 1.3818 1.3807 1.3806 1.378 1.3736 液1.3822 1.382 1.3819 1.3807 1.3806 1.378 1.37391.3822 1.3818 1.382 1.381 1.3805 1.3799 1.374 折射率1.3825 1.3822 1.3818 1.3819 1.3809 1.3806 1.378 1.3738 均t0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 t2-0.001 -0.001 -0.001 -0.0

18、01 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 T 98.033 97.303 96.103 98.083 93.343 92.063 91.953 91.923 X1G 1 0.977 0.968 0.945 0.937 0.931 0.923 0.916 X2L 1 0.996 0.991 0.992 0.98 0.976 0.943 0.89組成:醇入0 0.5 1 1.5 2 4 10 20 水T觀、C 99.6 99.1 97.2 95 93.2 90.2 88 87.7 T環(huán)、C 20.5 20.2 20.2 19.9 19.5 20.2 18.8 18,5折射率1.

19、3535 1.366 1,372 1.374 1.3755 1.3765 1.376 氣1.3535 1.366 1.372 1.3745 1.376 1.3765 1.37651.354 1.3665 1.3715 1.374 1.376 1.3765 1.3765 折射率1.3537 1.3662 1.3718 1.3742 1.3758 1.3765 1.3763 均折射率1.333 1.3335 1.3345 1.3365 1.342 1.354 1.365 液1.333 1.3335 1.3345 1.336 1.3415 1.3535 1.3651.333 1.3335 1.334

20、5 1.336 1.3415 1.354 1.365折射率1.333 1.3335 1.3345 1.3362 1.3417 1.3538 1.365 均t0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 0.004 t2-0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 -0.001 T 99.603 99.103 97.203 95.003 93.203 90.203 88.003 87.703 X1G 0 0.26 0.418 0.494 0.56 0.576 0.585 0.582 X2L 0 0.038 0.044 0.057 0.078 0.147 0.299 0.44 據(jù)上表,用origin作T-X圖,如下:# # 1.0 A 0.8 Y Axis Title 0.6 0.4 0.2 0.0 100 X Axis Title 由圖中可見 3：誤差來源：環(huán)境溫度測(cè)量時(shí)要移動(dòng)位置易產(chǎn)生誤差。 醇揮發(fā)造成測(cè)量誤差。 電壓控制的太高或