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1双液系的气-液平衡相图报告人：宋意海班级：09应化2Z实验时间2011年04月15日一．实验目的1．测定常压下环己烷－乙醇二元系统的气液平衡数据，绘制沸点－组成相图。2．掌握双组分沸点的测定方法，通过实验进一步理解分馏原理。3．掌握阿贝折射仪的使用方法。二．实验原理两种液体物质混合而成的两组分体系称为双液系。根据两组分间溶解度的不同，可分为完全互溶、部分互溶和完全不互溶三种情况。两种挥发性液体混合形成完全互溶体系时，如果该两组分的蒸气压不同，则混合物的组成与平衡时气相的组成不同。当压力保持一定，混合物沸点与两组分的相对含量有关。恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图（T－x），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为三类：（1）一般偏差：混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图1(a)所示。（2）最大负偏差：混合物存在着最高沸点，如盐酸－水体系，如图1(b)所示。（3）最大正偏差：混合物存在着最低沸点，如正丙醇—水体系，如图1(c)）所示。tAtAtAtBtBtBt/oCt/oCt/oCxBxBxBABAABB(a)(b)(c)x'x'图1完全互溶双液系的相图2对于后两种情况，为具有恒沸点的双液系相图。它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同，因而不能象第一类那样通过反复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离，而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。为了测定双液系的T－x相图，需在气－液平衡后，同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。本实验以环己烷－乙醇为体系，该体系属于上述第三种类型，在沸点仪（如图2）中蒸馏不同组成的混合物，测定其沸点及相应的气、液二相的组成，即可作出T－x相图。本实验中两相的成分分析均采用折光率法。折光率是物质的一个特征数值，它与物质的浓度及温度有关，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。溶液的浓度不同、组成不同，折光率也不同。因此可先配制一系列已知组成的溶液，在恒定温度下测其折光率，作出折光率－组成工作曲线，便可通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的组成。三．仪器与试剂沸点仪，阿贝折射仪，调压变压器，超级恒温水浴，温度测定仪，长短取样管。环己烷物质的量分数X环己烷为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的环己烷－乙醇标准溶液，各种组成的环己烷－乙醇混和溶液。四．实验步骤：1．环己烷－乙醇溶液折光率与组成工作曲线的测定调节恒温槽温度并使其稳定，阿贝折射仪上的温度稳定在某一定值，测量环己烷－乙醇标准溶液的折光率。为了适应季节的变化，可选择若干温度测量，一般可选25℃、30℃、35℃三个温度。2．测定待测溶液沸点和折光率（1）无水乙醇沸点的测定3将干燥的沸点仪安装好。从侧管加入约20mL无水乙醇于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入液体内。冷凝管接通冷凝水。按恒流源操作使用说明，将稳流电源调至1.8-2.0A，使加热丝将液体加热至缓慢沸腾。液体沸腾后，待测温温度计的读数稳定后应再维持3～5min以使体系达到平衡。在这过程中，不时将小球中凝聚的液体倾入烧瓶。记下温度计的读数，即为无水乙醇的沸点，同时记录大气压力。（2）测定系列浓度待测溶液的沸点和折光率同（1）操作，从侧管加入约20mL预先配制好的1号环己烷－乙醇溶液于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入溶液内,将液体加热至缓慢沸腾。因最初在冷凝管下端内的液体不能代表平衡气相的组成，为加速达到平衡，须连同支架一起倾斜蒸馏瓶，使小槽中气相冷凝液倾回蒸馏瓶内，重复三次（注意：加热时间不宜太长，以免物质挥发），待温度稳定后，记下温度计的读数，即为溶液的沸点。切断电源，停止加热，分别用吸管从小槽中取出气相冷凝液、从侧管处吸出少许液相混液，迅速测定各自的折光率。剩余溶液倒入回收瓶。按1号溶液的操作，依次测定2、3、4、5、6、7、8号溶液的沸点和气－液平衡时的气，液相折光率。（3）环己烷沸点的测定同（1）操作，测定环己烷的沸点。测定前应注意，必须将沸点仪洗净并充分干燥。五．实验结果与数据处理环己烷－乙醇混和液测定数据浓度沸点℃沸点K气相折光率液相折光率气相实际浓度液相实际浓度0.0078.4351.550.0577.6350.75214.175282.4630.99800.00100.1077.3350.45213.875282.1630.90000.01000.2573.7346.85210.275278.5630.80000.01500.3568.7341.85205.275273.5630.65140.088040.7563.8336.95200.375268.6630.53980.32700.8064.0337.15200.575268.8630.49460.68330.9068.8341.95205.375273.6630.34060.96000.9579.5352.65216.075284.3630.12810.98001.0080.7353.851．作出环己烷－乙醇标准溶液的折光率－组成关系曲线。0.00.20.40.60.81.01.21.351.361.371.381.391.401.411.421.431.44折光率环己烷组成B环己烷-乙醇体系的折光率-组成工作曲线2．根据工作曲线插值求出各待测溶液的气相和液相平衡组成，填入表中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的沸点－组成(T-x)平衡相图。5环己烷-乙醇体系的温度-组成相图33633834034234434634835035235435600.10.20.30.40.50.60.70.80.91组成温度T/K系列1系列2系列3多项式(系列1)3．由图找出其恒沸点及恒沸组成。答：由图知：恒沸点为64.1℃，恒沸点组成为X环己烷=0.54X乙醇=0.46六．注意事项1．加热电阻丝一定要被欲测液体浸没，否则通电加热时可能会引起有机液体燃烧；所加电压不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可。2．取样时，先停止通电再取样。3．每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。4．阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及（如滴管），擦拭棱镜需用擦镜纸七．思考题61．取出的平衡气液相样品，为什么必须在密闭的容器中冷却后方可用以测定其折射率？答：因为过热时将导致液相线向高温处移动，气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点会向易挥发组分那边偏移。所以要在密闭容器中冷却。2．平衡时，气液两相温度是否应该一样，实际是否一样，对测量有何影响？答：不一样，由于仪器保温欠佳，使蒸气还没有到达冷凝小球就因冷凝而成为液相。3．如果要测纯环己烷、纯乙醇的沸点，蒸馏瓶必须洗净，而且烘干，而测混合液沸点和组成时，蒸馏瓶则不洗也不烘，为什么?答：测试纯样时，如沸点仪不干净，所测得沸点就不是纯样的沸点。测试混合样时，其沸点和气、液组成都是实验直接测定的，绘制图像时只需要这几个数据，并不需要测试样的准确组成，也跟式样的量无关。4．如何判断气－液已达到平衡状态？讨论此溶液蒸馏时的分离情况？答：当温度计读数稳定的时候表示气－液已达到平衡状态；5．为什么工业上常产生95％酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获的无水酒精？答：因为种种原因在此条件下，蒸馏所得产物只能得95%的酒精。不可能只用精馏含水酒精的方法获得无水酒精，95%酒精还含有5%的水，它是一个沸点为的共沸物，在沸点时蒸出的仍是同样比例的组分，所以利用分馏法不能除去5%的水。工业上无水乙醇的制法是先在此基础上加入一定量的苯，再进行蒸馏。八、文献值表1标准压力下环己烷－乙醇体系相图的恒沸点数据沸点／℃乙醇质量分数／℃X环己烷64.940／64.829.20.57064.831.40.545764.930.50.555表225℃时环己烷－乙醇体系的折光率－组成关系x乙醇x环己烷nD251.000.001.360.900.101.370.790.211.380.710.291.380.590.411.390.500.501.400.400.601.400.300.701.410.210.801.410.100.901.420.001.001.42九、创新性启示1．被测体系的选择本实验所选体系，沸点范围较为合适。由通过实验绘制的相图可知，该体系与拉乌尔定律比较存在严重正偏差。作为有最小值的T－x相图，该体系有一定的典型意义。但相图的液相线较为平坦，在有限的学时内不可能将整个相图精确绘出。有些教学实验选用苯－乙醇体系，尽管其液相线有较佳极值，考虑到苯的毒性，未予选用。2．沸点测定仪仪器的设计必须方便于沸点和气、液两相组成的测定。蒸气冷凝部分的设计是关键之一。若收集冷凝液的凹形半球容积过大，在客观上即造成溶液的分馏；而过小则会因取样太少而给测定带来一定困难。连接冷凝管和圆底烧瓶之间的连管过短或位置过低，沸腾的液体就有可能溅入小球内；相反，则易导致沸点较高的组分先被冷凝下来，这样一来，气相样品组成将有偏差。在化工实验中，可用罗斯（Rose）平衡釜测得平衡时的温度及气、液相组成数据，效果较好。3．组成测定8可以用相对密度或其它方法进行测定，但折光率的测定快速、简单，特别是所需样品量较少，这对于本实验特别合适。不过，如操作不当，误差比较大。通常需重复测定三次。应该指出，含量较高的部分，折光率随组成的变化率较小，试验误差将略大。5．气－液相图的实用意义只有掌握了气－液相图，才有可能利用蒸馏方法来使液体混合物有效分离。在石油工业和溶剂、试剂的产生过程中，常利用气－液相图来指导并控制分馏、精馏的操作条件。在一定压力下的恒沸物其组成恒定。利用恒沸点盐酸可以配制容量分析用的标准酸溶液。