双液系气液平衡相图的绘制.docx

双液系气液平衡相图的绘制双液系气-液平衡相图的绘制 一、实验目的 用回流冷凝法测定沸点时气相与液相的组成，绘制双液系相图。找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。 掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。 了解阿贝折射计的构造原理，熟悉掌握阿贝折射计的使用方法。 二、实验原理 2.1液体的沸点 液体的沸点是液体饱和蒸汽压和外压相等时的温度，在外压一定时，纯液体的沸点有一个确定值。 2.2双液系的沸点 双液系的沸点不仅与外压有关，而且还与两种液体的相对含量有关。理想的二组分体系在全部浓度范围内符合拉乌尔定律。结构相似、性质相近的组分间可以形成近似的理想体系，这样可以形成简单的T-x图。大多数情况下，曲线将出现或正或负的偏差。当这一偏差足够大时，在T-x曲线上将出现极大点或极小点。这种最高和最低沸点称为恒沸点，所对应的溶液称为恒沸混合物。 恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气液平衡相图，根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为3类： 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。 最大负偏差：存在一个最小蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都小，混合物存在着最高沸点，如盐酸水体系，如图1(b)所示。 最大正偏差：存在一个最大蒸汽压值，比两个纯液体的蒸汽压都大，混合物存在着最低沸点，如水-乙醇体系，如图1(c)）所示。 tBtBtAtBxBx'BAtAAtAxB(a)BAxBx'B(c)(b)图1. 二组分真实液态混合物气液平衡相图 考虑综合因素，实验选择具有最低恒沸点的乙醇-乙酸乙酯双液系。根据相平衡原理，对二组分体系，当压力恒定时，在气液平衡两相区，体系的自由度为1。若温度一定时，则气液亮相的组成也随之而定。当溶液组成一定时，根据杠杆原理，两相的相对量也一定。反之，实验中利用回流的方法保持气液两相的相对量一定，则体系的温度也随之而定。 2.3沸点测定仪 沸点测定仪利用回流的方法保持气液两相相对量一定，测量体系温度不发生改变时，即两相平衡后，取出两相的样品，用阿贝折射计测定气液平衡气相、液相的折射率，再通过预先测定的折射率-组成工作曲线来确定平衡时气相、液相的组成。改变体系总成分，再如上法找出另一对坐标点。这样得若干对坐标点后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得T-x平衡图。 三、实验步骤 3.1乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率组成工作曲线的测绘 3.1.1折射率-体积分数工作曲线。 对于乙醇-乙酸乙酯等部分有机液体混合体系，当使用体积分数表示时，能得到直线的工作曲线，故只要分别准确测出25时纯乙醇、乙酸乙酯的折射率，将其连成直线，就得到3.1.2折射率-摩尔分数工作曲线。 工作曲线。 在线上取8个点，利用乙醇、乙酸乙酯的密度合量比等条件将以上点对应体积分数换算成摩尔分数，按对应的折射率重新绘点，再将点连成平滑曲线，即为3.2沸点仪的安装 将沸点仪洗净、烘干。检查带温度计的软木塞是否塞紧、电热丝是否靠近容器底部的中心，温度计的水银球位置是否合适。 3.3样品的测定 3.3.1溶液的配制 粗略配制乙醇体积分数为5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%组成的乙醇-乙酸乙酯溶液。 3.3.2沸点的测定 自侧管假如索要测定的溶液，其页面应在水银球的中部。打开冷凝水，接上电源，用调压变压器调节电压，将液体缓慢加热使液体沸腾，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，可以等小槽中气相冷凝液体收集满后，调节冷凝管的三通阀门，使冷凝液体流回圆工作曲线。 底烧瓶，重复三次，直到温度计上的读数稳定数分钟，记录温度计的读数，同时读出环境的温度；算出露茎温度，以便进行温度校正，并读出室内大气压力。 3.3.3取样 切断电源，停止加热，在冷凝管三通小槽处放置一个标有相应浓度记号的尾接小试管，并调节冷凝管的三通阀门，使冷凝液体不再流回至圆底烧瓶，而是流入尾接小试管中，并立即塞紧，防止其挥发；再用另一支干燥胶头滴管，从侧管处吸取容器中的溶液约12mL，转移到另一个小试管，也立即塞紧，两支小试管置于盛有冷水的小烧杯中保持待测，以防组分改变。在样品的转移过程中动作要迅速而仔细。并应尽早测定样品的折射率，不宜久藏。当沸点仪内液体冷却后，将该溶液自侧管倒入到指定的回收瓶中，再换另一浓度的双液体系溶液测定。 3.3.4折射率的测定 分别测定上面取的气相和液相样品的折射率。每次加样要测读两次，若读得的两个数值很接近，则取其平均值。每次加样前测量之前，必须先将折光仪的棱镜面洗净，方法是用数滴挥发性溶剂淋洗，再用擦镜纸轻轻擦去残留在镜面上的溶剂，阿贝折射计在使用完毕后也必须将镜面处理干净。 3.3.5平衡气相和液相组成的测定 根据气相折射率的数据，在工作曲线n-x上分别查出平衡气相和液相的组成。按上述步骤，本别测定乙醇和乙酸乙酯的沸点，以及各溶液的沸点和平衡时气相和液相的组成。 四、数据处理 4.1溶液沸点的校正 由于温度计的水银未全部浸入待测温度的区域内而需进行露茎校正。 t露茎=Kh 式中，K=0.00016，是水银对玻璃的相对膨胀系数；h为露出于被测体系之外的水银柱长度，称露茎高度，以温度差值表示；t观为测量温度计上的读数；t环为环境温度，可用辅助温度计读出，其水银球置于测量温度计露茎的中部。露茎校正后：t沸=t观+t露茎。 乙醇体积分数编号 h/ t观/ t环/ t露茎/ t沸/ /% 79.63 1 100 72.1 79.0 24.0 0.63 77.91 2 90 70.4 77.3 23.5 0.61 75.36 3 70 67.9 74.8 23.5 0.56 73.63 4 50 66.2 73.1 23.5 0.53 73.22 5 38 65.8 72.7 23.5 0.52 73.22 6 22 65.8 72.7 23.5 0.52 73.62 7 15 66.2 73.1 23.8 0.52 74.75 8 10 67.3 74.2 23.5 0.55 76.27 9 5 68.8 75.7 23.8 0.57 78.00 10 0 70.5 77.4 24.0 0.60 表1.露茎校正数据记录 溶液的沸点与大气压有关，应用特鲁顿规则及克劳修斯-克拉贝龙公式可得溶液沸点因大气压变动的近似校正公式。 式中，T是沸点的压力校正值；T沸是溶液的沸点；p是测定时的大气压，mmHg。 若用摄氏温标，t压表示沸点的压力校正值，则t压=t，由此，在1atm下的溶液正常沸点为 t正常=t沸+t压 乙醇体积p/mmHg 编号 t沸/ t沸/K T/K t正常/ 分数/% 79.63 352.78 79.01 1 100 773.25 -0.62 77.91 351.06 77.30 2 90 773.25 -0.61 75.36 348.51 74.75 3 70 773.25 -0.61 73.63 346.78 73.03 4 50 773.25 -0.60 73.22 346.37 72.62 5 38 773.25 -0.60 73.22 346.37 72.62 6 22 773.25 -0.60 73.62 346.77 73.02 7 15 773.25 -0.60 74.75 347.90 74.14 8 10 773.25 -0.61 76.27 349.42 75.66 9 5 773.25 -0.61 78.00 351.15 77.39 10 0 773.25 -0.61 表2.沸点的压力校正 4.2乙醇-乙酸乙酯溶液的折射率组成工作曲线的绘制 室温下，测得纯乙醇的折射率为1.36211.3728。 ，纯乙酸乙酯的折射率为4.3折射率-摩尔分数工作曲线 在图2的工作曲线上选取8个点，将对应点的体积分数换算成摩尔分数。使用公式为 名称 乙醇 乙酸乙酯 表3.乙醇和乙酸乙酯的相关参数 取点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 折射率/1.3632 1.3642 1.3653 1.3664 1.3675 1.3685 1.3696 1.3707 密度/ 0.78506 0.92454 相对分子质量M/(g·mol-1) 46.07 88.12 体积分数/% 90 80 70 60 50 40 30 20 摩尔分数XB 0.94 0.87 0.79 0.71 0.62 0.52 0.41 0.29 表4.绘制折射率-摩尔分数工作曲线数据记录 4.4双液系气-液平衡相图的绘制 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 表5.乙醇-乙酸乙酯混合液测定数据 乙醇体积分数/% 100 90 70 50 38 22 15 10 5 0 液相折射沸点/ 79.01 77.30 74.75 73.03 72.62 72.62 73.02 74.14 75.66 77.39 率/ 1.3620 1.3631 1.3645 1.3668 1.3681 1.3705 1.3711 1.3719 1.3725 1.3727 液相中乙醇的摩尔分数 1 0.95 0.84 0.67 0.56 0.30 0.24 0.12 0.04 0 气相折射率/1.3617 1.3646 1.3668 1.3680 1.3690 1.3696 1.3705 1.3710 1.3720 1.3728 气相中乙醇的摩尔分数 1 0.85 0.67 0.57 0.47 0.40 0.30 0.25 0.11 0 根据平衡相图，可得恒沸温度：72.60。恒沸组成：乙醇的摩尔分数为0.418，乙酸乙酯的摩尔分数为0.582. 五、注意事项 电阻丝一定要被待测液体浸没，否则电热丝容易烧断，而且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。 先加溶液，再加热。取样时，先停止通电再取样。 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。 阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及，擦拭棱镜需用擦镜纸。 测定折射率时，动作要迅速，尽量避免样品挥发损失，确保数据准确。 六、分析与讨论 6.1实验结果讨论 根据平衡相图，可得恒沸温度为72.60，乙醇的摩尔分数为0.418，乙酸乙酯的摩尔分数为0.582。查找文献资料，查得乙醇-乙酸乙酯混合溶液的恒沸温度为56.9，乙醇的摩尔分数为0.0558，乙酸乙酯的摩尔分数为0.9442。本次的实验值与文献参考值有很大的偏差。原因之一可能是由于实验室所提供的混合溶液不纯，可能混有除乙醇和乙酸乙酯外的其他物质。其次，本次实验测量的数据很多，每一次的测量均有可能引入误差。折射率测定、温度计读数等实验操作最好由同一实验者负责，避免出现因个体操作差异而引入的误差。烧瓶里面每更换一次溶液，为了避免引入水等其他杂质，并没有对其进行清洗，而是考虑到乙醇和乙酸乙酯都是挥发性液体，则采取用热风烘干的方法。这方法原则上是可行的，但也难免有剩余的液体残留在烧瓶壁。如果实验器材允许，最好准备两个烧瓶，交替使用，将前一个使用过的烧瓶彻底弄干后等下一次测量时备用。 6.2实验改进分析 在沸点仪侧管取液相样品的时候，由于侧管孔径很窄，胶头滴管不能完全伸入，样品加入量为20mL时勉强可以取得，因此实验时一般会加入超过25mL的样品，以保证样品的正常吸取。但是这一做法会导致试剂浪费，最好的办法应该是配备合适的胶头滴管，前端的细玻璃管应该尽量长。 在仪器设备允许的前提下，用电子测温仪代替温度计的人工读数，电子测温仪准确度和精确度更高。可以直观地通过显示屏上的数据观察温度的变化。 本次实验要根据气液相折射率的数据，要在折射率-摩尔分数工作曲线上分别查出平衡气相和液相的组成。虽然我们已经通过excel软件得出曲线图，但仍然要通过人为读数在曲线图上查出各折射率所对应的摩尔分数。数据一共有20组之多，一组一组地读数速度很慢，且精度不高。因此，在技术支持的前提下，应采用适当的电脑软件，以协助读数。