物化實(shí)驗(yàn)報告-雙液系的氣液平衡相圖辯析

雙液系的氣液平衡相圖1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠梅悬c(diǎn)儀測定在常壓下環(huán)已烷—乙醇的氣液平衡相圖。掌握阿貝折射儀的使用方法。1.2實(shí)驗(yàn)原理將兩種揮發(fā)性液體混合，若該二組分的蒸氣壓不同，則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，表示液態(tài)混合物的沸點(diǎn)與平衡時組成關(guān)系的相圖，稱為沸點(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)之間見圖1(a)；(2)各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的負(fù)偏差，其溶液有最高恒沸點(diǎn)見圖1(b)；(3)各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸點(diǎn)見圖1(c)。第(2)、(3)兩類溶液在最高或最低恒沸點(diǎn)時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，這時的溫度稱恒沸點(diǎn)，相應(yīng)的組成稱恒沸組成。第一類混合物可用一般精餾法分離出這兩種純物質(zhì)，第(2)、(3)類混合物用一般精餾方法只能分離出一種純物質(zhì)和另一種恒沸混合物。圖1沸點(diǎn)組成圖為了測定二元液系的T-x圖，需在氣液達(dá)到平衡后，同時測定溶液的沸點(diǎn)、氣相和液相組成。本實(shí)驗(yàn)是測定具有最低恒沸點(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)，分別用阿貝折射僅測定其折射率。為了求出相應(yīng)的組成，必須先測定已知組成的溶液的折射率，作出折射率對組成的工作曲線，在此曲線上即可查得對應(yīng)于樣品折射率的組成。沸點(diǎn)儀的種類很多，圖2所示是一種帶有電阻絲加熱的沸點(diǎn)儀。沸騰的溶液由噴嘴噴向溫度計，因此可以測得蒸氣與液相平衡的溫度。氣相經(jīng)冷凝后貯存在小泡內(nèi)。圖2沸點(diǎn)儀1水冷卻入口，2氣相冷凝液貯存小泡，3溫度計，4噴嘴，5電爐絲，6調(diào)壓器2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1.儀器沸點(diǎn)儀、調(diào)壓器、阿貝折射儀（編號00011887）SL-1超級恒溫槽、1／10℃溫度計、酒精溫度計、滴管、放大鏡。2.藥品環(huán)己烷（分析純；20℃時密度：0.778-0.779g/ml；Mr=84.16）、無水乙醇（分析純；20℃時密度：0.789-0.791g/ml；Mr=46.07)各種濃度的環(huán)已烷—乙醇混合溶液。實(shí)驗(yàn)條件表1實(shí)驗(yàn)條件記錄實(shí)驗(yàn)前溫度（℃）實(shí)驗(yàn)前大氣壓（kPa）實(shí)驗(yàn)前空氣濕度實(shí)驗(yàn)后溫度（℃）實(shí)驗(yàn)后大氣壓（kPa）實(shí)驗(yàn)后空氣濕度17.8102.7835%19.1102.7935%2.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)1．測定溶液的折射率用阿貝折射儀測定環(huán)己烷、無水乙醇以及由環(huán)已烷—乙醇組成的標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率，作折射率對組成的工作曲線。折射儀使用方法見儀器5。2．檢查待測樣品的濃度在通電加熱之前，檢查沸點(diǎn)儀內(nèi)的待測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。3．測定液相和氣相組成分別測定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10％、30％、69.5％、92％、97．5％、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。待其溫度計上所指示的溫根據(jù)上頁中圖4中環(huán)己烷—乙醇體系的沸點(diǎn)——組成圖，可求得：最低恒沸點(diǎn)約為64.85℃。相應(yīng)的恒沸混合物的組成（環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為0.688（即68.8%）。3.3討論分析測定結(jié)果與文獻(xiàn)值的比較由文獻(xiàn)值（見表4）可知：環(huán)己烷沸點(diǎn)為80.74°C，乙醇的沸點(diǎn)為78.32°C，環(huán)己烷—乙醇體系的最低恒沸點(diǎn)為64.90°C，恒沸物組成為69.50%（環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。本次實(shí)驗(yàn)中的測得結(jié)果（校正后）分別為81.07°C（環(huán)己烷），78.66°C（乙醇）和64.85°C（最低恒沸點(diǎn)），68.8%（恒沸物組成）。測定結(jié)果與文獻(xiàn)值的相對誤差為ε（環(huán)己烷沸點(diǎn)）=(81.07-80.74/81.07)×100%=0.4071%ε（乙醇沸點(diǎn)）=(78.66-78.32/78.66)×100%=0.4322%ε（最低恒沸點(diǎn)）=(64.90-64.85/64.85)×100%=0.0771%ε（恒沸物的組成）=(0.695-0.688/0.688)×100%=1.017%考慮到本次實(shí)驗(yàn)的條件（見表1）與文獻(xiàn)值測定的條件不同，測定值與文獻(xiàn)值之間的偏差是比較小的，處在合理的范圍之內(nèi)，說明本次測量的結(jié)果較為可靠。測量過程中產(chǎn)生誤差的可能原因及分析測量過程中產(chǎn)生誤差的原因可能有以下幾點(diǎn)：溫度校正中引入的誤差：在進(jìn)行溫度校正的過程中，雖然采用了科學(xué)有效的校正方法和計算公式，但是由于測量儀器的精確度有限，而且露出體系外水銀的平均溫度和輔助溫度計測得的溫度不可能完全一致（特別是在橡膠塞內(nèi)的那一部分水銀柱并沒有在校正過程中予以考慮），所以可能導(dǎo)致測量過程中的誤差。實(shí)驗(yàn)條件改變：在測量過程中，雖然采用恒溫槽使得阿貝折射儀的棱鏡處于恒溫狀態(tài)，但其他儀器的實(shí)驗(yàn)條件很可能出現(xiàn)改變。這其中包括環(huán)境溫度和氣壓的改變導(dǎo)致沸點(diǎn)儀所處環(huán)境的改變。測量體系的改變：在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程中認(rèn)為測量體系的組成沒有變化，但是在實(shí)際情況下，很可能由于操作原因改變測量體系的組成。具體而言，在從沸點(diǎn)儀取樣的過程中，以及進(jìn)行折射率測量時，體系會有微量蒸發(fā)，從而使得體系的組成發(fā)生變化，即所測得的組成與液相和氣相的實(shí)際組成不完全一致。測定儀器的誤差：測量過程中使用了刻度尺（測器外度數(shù)）和阿貝折射儀，溫度計等儀器。由于系統(tǒng)誤差，測得數(shù)據(jù)與實(shí)際可能有所差異，導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差。對實(shí)驗(yàn)中異?，F(xiàn)象的分析和討論沸點(diǎn)數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象：在測量沸點(diǎn)時，溫度計的數(shù)值開始并不穩(wěn)定，時會出現(xiàn)波動。這一想象產(chǎn)生的原因主要是從沸點(diǎn)儀噴嘴中噴出的液流不夠穩(wěn)定，從而使得溫度計水銀球處的溫度不恒定。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)加熱電壓，使噴出液流連續(xù)而穩(wěn)定，當(dāng)溫度計的讀數(shù)處于恒定狀態(tài)后再進(jìn)行測量，即可避免此異?，F(xiàn)象的影響。對儀器裝置、操作步驟、實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)意見及體會完成全部實(shí)驗(yàn)和后期數(shù)據(jù)處理后，我深切地感受到這次實(shí)驗(yàn)利用我們所掌握的物化知識，從實(shí)驗(yàn)的角度對我們進(jìn)行了一次充分的訓(xùn)練。最后所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是次要的，而我們所掌握的物化實(shí)驗(yàn)方法和對實(shí)驗(yàn)過程的總結(jié)分析才是關(guān)鍵。結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體過程和感受，我對本項(xiàng)試驗(yàn)有如下幾點(diǎn)建議和體會：數(shù)據(jù)記錄過程：在本次實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)是人為判讀和記錄的，因此很可能會引入人為造成的偶然誤差，如果條件允許可考慮采用數(shù)字式溫度計進(jìn)行溫度記錄。阿貝折射儀的使用：在使用時不應(yīng)移動、晃動儀器，或者調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度。另外，在測定時務(wù)必調(diào)節(jié)反光鏡使得明暗分界線清晰，以使得測量更準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)裝置和過程的設(shè)計：試驗(yàn)中每次用滴管取液體時應(yīng)該使用不同的滴管，否則可能使得不同組成的液體混合，因此最好用標(biāo)簽紙對每個滴管進(jìn)行標(biāo)記，專管專用，以避免誤差的產(chǎn)生。重復(fù)實(shí)驗(yàn)以消除誤差：實(shí)驗(yàn)中如果時間允許，最好用阿貝折射儀對氣相和液相的折射率進(jìn)行多次測量，取平均值作為結(jié)果，這樣可以減小實(shí)驗(yàn)過程中的偶然誤差。本次實(shí)驗(yàn)的總結(jié)與體會在本次物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的賈維杰助教老師對我們進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)，給予了我們熱情的幫助。當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了問題，老師也沒有過多責(zé)備我們，而是悉心地進(jìn)行講解，幫助我們想辦法調(diào)整和修正，繼續(xù)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。如果沒有各位老師和助教的辛勤準(zhǔn)備和付出，我們絕對無法順利的完成本次的實(shí)驗(yàn)。您辛苦樂，非常感謝您！4結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)通過沸點(diǎn)儀和阿貝折射儀測定在常壓下環(huán)已烷—乙醇的氣液平衡相圖（圖4）。有所得相圖可求得的環(huán)己烷—乙醇體系的最低恒沸點(diǎn)為：64.85℃。相應(yīng)的恒沸混合物的組成（環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為0.688（即68.8%）。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與文獻(xiàn)值相比誤差較小，證實(shí)了利用此方法測定環(huán)已烷—乙醇的氣液平衡相圖的可行性與準(zhǔn)確性