實(shí)驗(yàn)5 雙液系的氣液平衡相圖

實(shí)驗(yàn)五雙液系的氣液平衡相圖【摘要】本實(shí)驗(yàn)根據(jù)溫度一定時(shí)物質(zhì)的折光率與其濃度的對應(yīng)關(guān)系，利用折射儀測定不同比例互溶的水——正丙醇雙液系沸騰時(shí)氣相和液相的組成，繪制雙液系的平衡相圖，從而得到體系的最低恒沸點(diǎn)?！続bstract】Accordingtothecorrespondingrelationshipbetweenconcentrationandrefractiveindexofthematterinthecertaintemperature,inthisexperiment,weusetherefractometertomeasurethemakes-upofthewater---CH3CH2CH2OHbi-liquidsystemattheirboilingpoint.Drawthebi-liquidsystemequilibriumphase-graphandfindthelowestconstantboilingpoint.【關(guān)鍵詞】雙液系氣液平衡相圖最低恒沸點(diǎn)【Keywords】bi-liquidsystemgas-liquidequilibriumphase-graphlowestconstantboilingpoint一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、用沸點(diǎn)儀測定在一大氣壓下水——正丙醇雙液系的氣液平衡相圖，確定其最低恒沸點(diǎn)溫度及恒沸混合物的組成。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、用阿貝折射儀測定液體和蒸氣的組成，學(xué)會用折光率確定雙組分體系的組成。預(yù)習(xí)要求：了解繪制雙液系相圖的基本原理。了解阿貝折射儀的使用方法。了解本實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，如何判斷氣－液兩相已達(dá)到平衡。三、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T—x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A—B兩組分的相互影響，常與拉烏爾定律有較大的偏差。在T—X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量一定，則體系的溫度恒定。此時(shí)，取出兩相中的樣品，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坐標(biāo)點(diǎn)，這樣測得若干對坐標(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，溶液折光率的測定，請看附錄說明書。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，已知濃度的溶液，在恒定溫度下測其折光率，作出組成折光率工作曲線，便可通過測折光率的大小在工作曲線上找出未知溶液的濃度與組成。沸點(diǎn)儀的構(gòu)造及沸點(diǎn)的測定：圖5-4沸點(diǎn)儀A-盛液容器；B-測量溫度計(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管C，這樣，溶液沸騰時(shí)，在氣泡的帶動下，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（如空氣流動或其它熱源的輻射）對溫度計(jì)讀數(shù)可能引起的波動，因此這樣測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，可把D球中最初冷凝的液體傾回到容器A中。沸點(diǎn)的測定：用玻璃水銀溫度計(jì)測量溶液的沸點(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)算式為：t露/℃=1.610-4·n·(t觀-t環(huán))校正的方法是在測量沸點(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)置于測量溫度計(jì)沸點(diǎn)穩(wěn)定值至固定溫度計(jì)橡皮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)。在測量過程中，由于組成的變動，t觀也在變動，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。1.610-4是水銀對玻璃的相對膨脹系數(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）測得的沸點(diǎn)為正常沸點(diǎn)。實(shí)際測量時(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)隨大氣壓變動而變動的近似值：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：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)盡量做到動作迅速。各個(gè)溶液確切的組成可按實(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，可選擇若干溫度測量，一般可選25℃、30℃、35℃三個(gè)溫度。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)樣品測量2－3次，取讀數(shù)的平均值。5、用10mL移液管移取H2O0.5mL，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)。8、由以上測得的個(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，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69～71%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，故在實(shí)驗(yàn)中可由兩同學(xué)分別從水，從正丙醇開始做，各自進(jìn)行一半的測量，共同完成一相圖。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：加熱電阻絲一定要被欲測液體浸沒，否則通電加熱時(shí)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；溫度計(jì)的水銀球不要直接碰到加熱絲。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。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：22.15℃；大氣壓：102.35mB（實(shí)驗(yàn)前）大氣壓：102.75（實(shí)驗(yàn)后）編號加入乙醇體積（ml）t觀（℃）t壓（℃）t環(huán)（℃）t露（℃）沸點(diǎn)（℃）10.099.40-0.376922.090.012499.035520.598.80-0.376322.090.012398.436031.096.91-0.374421.510.012196.547741.596.18-0.373622.50.011895.818252.094.00-0.371422.640.011493.640064.091.36-0.368722.070.011191.0023710.088.65-0.366021.730.010788.2947820.087.76-0.365120.110.010887.4057數(shù)據(jù)記錄表編號折射率（氣相）氣相平均折射率折射率（液相）液相平均折射率11.34401.34311.34331.34351.34301.34311.34351.343221.37311.37271.37241.37271.34421.34431.34401.344231.38501.38511.38531.38511.34561.34581.34601.345841.38761.38751.38731.38751.34611.34601.34581.346051.38831.38811.38841.38831.34721.34771.34731.347461.38941.38951.38951.38951.35241.35261.35261.352571.38951.38971.38981.38971.36291.36341.36321.363281.38931.38971.38971.38961.37401.37411.37411.3741數(shù)據(jù)記錄附表折射率校正：1.3432-1.3323=0.0109根據(jù)25℃水-正丙醇溶液相圖工作曲線（圖二）得氣相及液相的濃度與沸點(diǎn)的關(guān)系如下表（另一半數(shù)據(jù)來自李陽同學(xué)）：氣相乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)x(%)氣相乙醇沸點(diǎn)(℃)液相乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)x(%)液相乙醇沸點(diǎn)(℃)0.0099.040.0099.4236.1898.440.1198.4153.1496.550.1696.9558.4595.822.1894.6366.4393.645.0192.3867.3291.0011.7489.9468.1288.2926.3488.2268.6487.4143.6487.7068.7287.4764.1687.4769.8787.4273.7787.4272.5787.8381.8887.8374.1088.6988.4988.6978.8890.3192.7990.3182.2892.6396.0592.6395.3595.1796.8095.17100.0096.72100.0096.72圖一、水-正丙醇?xì)庖浩胶庀鄨D最低恒沸點(diǎn)為：87.42℃乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)x=69.87%查文獻(xiàn)得正丙醇和水能形成恒沸混合物,其最低恒沸點(diǎn)為87.8℃(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下),即質(zhì)量百分含量為71.75%。相對誤差最低恒沸點(diǎn)：|（87.8-87.42）/87.8|×100%=0.43%此時(shí)正丙醇含量：|（71.75-69.87）/71.7|×100%=2.62%圖二、折光率－濃度曲線【誤差分析】本實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)還是有一定的誤差，分析其原因，可能有以下幾點(diǎn)：1)體系沸騰時(shí)溫度以及環(huán)境溫度變化不非常穩(wěn)定，所以溫度計(jì)的讀數(shù)不穩(wěn)定，有可能出現(xiàn)某個(gè)溫度計(jì)的讀數(shù)滯后，因此液體的沸點(diǎn)和環(huán)境溫度都有一定誤差。2)在折光率測量過程中，恒溫水浴的溫度實(shí)際上并不恒定，有一定的波動，也會給測量結(jié)果帶來誤差。3)本實(shí)驗(yàn)由兩組人分別做，處理數(shù)據(jù)時(shí)，將兩人的數(shù)據(jù)合起來，但每個(gè)人的讀數(shù)習(xí)慣、操作不同，同時(shí)每組儀器精度不同，因此，做相圖時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)相圖有較大出入，如果做實(shí)驗(yàn)時(shí)所有實(shí)驗(yàn)?zāi)芤粋€(gè)人做，所得的圖象應(yīng)該能更加準(zhǔn)確。4)溶液可能出現(xiàn)過熱或出現(xiàn)分餾現(xiàn)象，會使所測沸點(diǎn)偏高，相應(yīng)的所繪出的相圖圖形會向上偏移。5)由于正丙醇容易揮發(fā)，導(dǎo)致測量折光率時(shí)并非完全是當(dāng)時(shí)溫度下的濃度對應(yīng)的折光率，換算過來的百分比可能會偏小。6)對液相來說，給雙液體系加熱液相組成并不固定，而隨加熱時(shí)間的長短會有變化，因而使折光率的測量產(chǎn)生誤差。7)由于加熱電阻絲浸沒在液體里，且傳熱需要時(shí)間，所以氣液兩相