1、双液系的气液平衡相图孙滢智/2013011968材31（张泽文）实验日期：2014.12.5提交报告日期：2014.12.10带实验的老师：陈巧梅1 引言1.1 实验目的1.1.1 用沸点仪测定在常压下环已烷乙醇的气液平衡相图。1.1.2 掌握阿贝折射仪的使用方法。1.2 实验原理将两种蒸气压不同的挥发性液体混合，溶液的组成与其平衡气相的组成不同。在压力保持一定，二组分系统气液达到平衡时，表示液态混合物的沸点与平衡时组成关系的相图，称为沸点和组成(T-x)图。沸点和组成(T-x)的关系有下列三种：(1)理想液体混合物或接近理想液体混合物的双液系，其液体混合物的沸点介于两纯物质沸点之间见图1(a
2、)；(2)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的负偏差，其溶液有最高恒沸点见图1(b)；(3)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸点见图1(c)。第(2)、(3)两类溶液在最高或最低恒沸点时的气液两相组成相同，加热蒸发的结果只使气相总量增加，气液相组成及溶液沸点保持不变，这时的温度称恒沸点，相应的组成称恒沸组成。 图1 沸点组成图为了测定二元液系的T-x图，需在气液达到平衡后，同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。本实验是测定具有最低恒沸点的环己烷乙醇双液系的T-x图。方法是用沸点仪(图2)直接测定一系列不同组成之溶液的气液平衡温度(即沸点)，并收集少量馏出液(即气相冷凝液)及
3、吸取少量溶液(即液相)，分别用阿贝折射仅测定其折射率。为了求出相应的组成，必须先测定已知组成的溶液的折射率，作出折射率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折射率的组成。图2 沸点仪2. 实验操作2.1 实验用品沸点仪、调压器、阿贝折射仪、超级恒温槽、110温度计、酒精温度计、滴管、放大镜。环己烷(AR)、无水乙醇(AR)、各种浓度的环已烷乙醇混合溶液（已注入各沸点仪中）。2.2 实验环境室温：T0= 19.8 相对湿度：12%大气压：p0= 100.87 kPa。2.3 实验步骤2.3.1 测定溶液的折射率。用阿贝折射仪测定环己烷、无水乙醇以及由环已烷乙醇组成的标准溶液的折射率，作折
4、射率对组成的工作曲线。2.3.2 检查待测样品的浓度。在通电加热之前，检查沸点仪内的待测样品的浓度是否合适。若浓度不符合要求，则加环己烷或乙醇调正。2.3.3 测定液相和气相组成。分别测定质量百分数为0、10、30、69.5、90、96、100的环已烷乙醇溶液在沸点下的液相和气相的组成。测定方法如下：接通电源，通冷却水，按要求调节调压器，加热溶液至沸腾。待其温度计上所指示的温度保持恒定后，读下该温度值，同时停止加热，并立即在小泡中取气相冷凝液，迅速测定其折射率，冷却液相，然后用滴管将溶液搅均后取少量液相测定其折射率。若认为数据不可靠，重复上述操作。注意：每次测量折射率后，要将折射仪的棱镜打开，
5、用吸耳球吹干，以备下次测定用。（本次试验使用数字显示温度计，无需校正）2.3.4 绘图。2.4 注意事项2.4.1 加热电阻丝的电压不得超过40 V。2.4.2 一定要使体系达到气液平衡即温度稳定后才能取样分析。2.4.3 取样后的滴管不能倒置。2.4.4 取气相冷凝液的同时，停止加热。待被测液相溶液冷却后测其折射率。2.4.5 使用阿贝折射仪时，棱镜行不能触及硬物（特别是滴管）。棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头。实验中必须使用同一台阿贝折射仪。2.4.6 实验过程中必须在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。3 结果与讨论 3.1 原始实验数据表1环己烷乙醇标准溶液及其对应折射率溶液号
6、空瓶质量/g加入环己烷后总质量/g再加入乙醇后总质量/g溶液环己烷百分数/%折射率1-01.3630231.187636.430235.648014.91.3720329.167530.705233.873632.71.3812430.741033.117235.482450.11.3923531.943435.302036.725770.21.4052635.579839.396940.172983.11.41457-1001.4274表2待测的环己烷乙醇溶液的沸点及沸点下的液相和气相的组成溶液环己烷百分数/%气相折射率液相折射率沸点t / oC0（纯乙醇）1.36301.363078.24
7、101.36801.364277.16301.39791.376268.2969.51.40411.395064.87901.40781.417265.14961.42101.427075.86100（纯环己烷）1.42731.427480.703.2计算的数据、结果根据表1中数据绘制组成折射率曲线如下： 图3 组成-折射率图 环己烷质量分数（x/%）与溶液折射率（n）的关系拟合式为：x= -4891.71609n2+ 15211.15619n -11645.62353；r2= 0.99963 由工作曲线的拟合式计算，得到待测的环己烷乙醇溶液在沸点下的气相和液相组成。表3.待测溶液气相液相组成
8、溶液环己烷百分数纯乙醇10%30%69.5%90%96%纯环己烷气相组成/%-0.4968.76359.0368.3673.7591.8899.93液相组成/%-0.496 1.748 23.42 54.54 86.83 99.55 100.05作环己烷乙醇体系T-x相图作环己烷乙醇体系T-x相图:图3环己烷乙醇体系沸点组成相图从图中读出，环己烷乙醇体系有一最低恒沸点，该点温度为64.9，对应组成为环己烷质量分数x=71%。3.3讨论分析3.3.1误差分析经过查表得，乙醇环己烷体系的最低恒沸点为64.8，环己烷的质量分数为70.77%。由此可以看出通过实验测出的恒沸点和组成与文献值相差很小，相
9、对误差分别为0.15%和0.32%，实验的准确性较高。本实验的误差可能来源于以下几个方面：l 实验中，取液相时，由于没有等到其完全冷却，此时温度较高，溶液的蒸发仍较快，而乙醇和环己烷的蒸汽压不同，蒸汽组成也与液相不同，蒸发的速率不同，导致实际测量时液相的组成与刚取出时有差异，造成结果的误差。l 液体沸腾时过于剧烈，使得喷嘴喷出的液体过于频繁地进入冷凝液小泡，若气相冷凝液没有在停止加热前及时将液相液体排出，则会导致液相组成测定出现误差。l 液体的折射率会随温度的变化而改变，理论上应该在恒温的条件下对折射率进行测量。但实际测量的过程中室温是会发生变化的，而且对液相的折射率进行测量时液相也未完全冷却
10、到室温，引入误差。l 此外还有读数，仪器等引起的误差。3.3.2注意事项l 注意调节沸腾的剧烈程度，不要使喷出液过于猛烈使得液相进入冷凝的小泡内过于频繁，也不要使喷淋温度计的间隔过久，放置散热过多造成测量的温度会偏低。l 测定折射率时要尽快，防止蒸发引起所测液体组分发生变化引起的误差。l 在即将达到沸腾温度时，温度计测量的温度升高较为缓慢，应等待足够长的时间待其稳定后再进行测量。4 结论由实验数据和相图可知，乙醇双环己烷体系，为具有最低恒沸点的双液系，在最低恒沸点时的气相和液相组成相同。此双液系非理想液体混合物，对拉乌尔定律有负偏差。最低恒沸点为64.9，环己烷质量分数为71%。5 参考文献1
11、.贺德华,麻 英,张连庆.基础物理化学实验M.北京:高等教育出版社,2008:36-382朱文涛，王军民，陈琳.简明物理化学.北京:清华大学出版社,2008.6 附录思考题：1.使用阿贝折射仪时要注意些什么问题？如何正确的使用才能测准数据？ 答：使用阿贝折射仪时应注意的问题和准确测量数据的方法如下：1 在棱镜上不能触及硬物，尤其要注意滴液时不要将滴管的头部触碰到棱镜2 棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头，防止液体蒸发。3 打开恒温仪，尽量保证在恒温下测量折射率。4 使用之前先校正仪器，调节黑色线的清晰度，使得黑色边界分明。5 测量时候使黑色线超过十字线交点后再返回和交点重合，这样可以消除旋钮造成
12、的仪器系统误差。6 读数要注意读两边的数，最后取小数点后四位。2.收集气相冷凝液的小泡体积太大，对测量有什么影响？ 答：当液体沸腾时液相有时会喷入小泡，若气相冷凝液的小泡体积太大，则冷凝管产生的气相冷凝液不能及时将液相液体排出小泡，部分液相液体会残留于小泡中，从而导致小泡中液体的组成向液相液体的方向产生偏差，引入误差。3.平衡时，气液两相温度应不应该一样？实际是否一样？怎样防止温度的差异？答：两相平衡是温度应该是一样的。实际上二者的温度会有微小的差别，不完全一样。为了防止此差异，应该保持沸腾数分钟，再在停止加热之后放置半分钟到一分钟，然后迅速测量折射率。4.溶液沸腾之后，如何控制条件使温度稳定？ 答：沸腾之后，应把加热电压控制在合适的值，在本次实验中将电压控制在30V左右，可以在实验温度范围6480内使体系温度基本保持稳定，需要注意的是若要调节电压应缓慢调高，不宜突增，一方面是考虑到温度的反应有一定延后性，另一方面避免液体发生暴沸。
