双液系的气—液平衡相图

双液系的气—液平衡相图

双液系的气—液平衡相图

一、实验目的

1. 绘制在Pθ环已烷—乙醇的气液平衡相图，了解相图和相律基本概念；

2. 掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法； 3. 掌握用折光率确定二元液体的组成方法。

二、实验原理

液体的沸点是指液体的蒸气压和外压相等时的温度，在一定的外压下，纯液体的沸点有确定值。但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。根据相律： 自由度=组分数-相数+2

因此，一个气—液共存的二组分体系，其自由度为2。只要任意再确定一个变量，整个体系的存在状态就可以用二维图形来描述。

两种挥发性液体混合，若该二组分的蒸气压不同，则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）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。

2 / 7

图1.

沸点和组成（T-x）图

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（如图2所示）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）及吸取少量溶液（即液相），分别用阿贝折光仪测定其折光率。根据已知组成的溶液折光率，作出一定温度下（25℃）该溶液的折光率—组成工作曲线，然后根据测得的样品溶液的气液两相的折光率，在此曲线上即可按内描法得到待测未知样品溶液的组成。

图2.

沸点测定仪示意图

三、仪器与药品

沸点测定仪

水银温度计（50~100℃，分度值0.1℃） 玻璃温度计（0~100℃，分度值1℃）

1只 1支 1支

3 / 7

丙酮（分析纯） 超级恒温水浴 称量瓶（高型）

1台 10只

调压变压器（0.5kVA）

数字式Abbbe折光仪（棱镜恒温） 带玻璃磨口塞试管（5mL） 烧杯（50ml，250ml） 玻璃漏斗（直径5cm）

1只 1台 4支 各1支 1只

25mL移液管 长滴管

10支

无水乙醇（分析纯） 环己烷（分析纯） 重蒸馏水，冰

四、实验步骤

1. 调节超级恒温水浴温度，使阿贝折光仪上的温度计读数保持在25℃。

2. 接通沸点测定仪电源，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，迅速测定其折光率，冷却液相，然后用滴管将溶液搅拌均匀后取少量液相测定其折光率。重复上述操作三次，取其平均值。注意：每次测量折光率后，要将折射仪的棱镜打开晾干，以备下次测定用。

3. 按此方法分别测定摩尔分数为0.05，0.15，0.30，0.45，0.55，0.65，0.80，0.90的环已烷—乙醇溶液的折光率。

五、数据记录与处理

1. 25℃条件下标准溶液数据处理。

表1.

环己烷—乙醇标准溶液折射率—组成数据

0.4059 0.5017 0.5984 0.7013 0.7950 0.70 x环己烷 n25D 0.2052 0.2911 1.37766 1.38412 1.39216 1.39836 1.40342 1.400 1.41356 1.41855 根据表1数据作图如下：

4 / 7

2. 双液系平衡温度及气—液相组成的测定数据记录与处理。

气相和液相的X环己烷可通过上面作出的环己烷—乙醇体系的折光率—组成工作曲线所得工作曲线方程：y = 0.0586x + 1.3674求得。

把气液两相平衡时测得的折光率带入曲线方程求得其相应的X环己烷，结果汇总如表2所示：

表2.

次温度X环己烷 数 /℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 0.05 0.15 0.30 0.45 0.55 0.65 0.80 0.95 66. 72.72 69.00 65.80 .65 .49 .94 65.99 实验数据记录与处理表格

X环己烷（g） X环己烷（l） 0.423505 0.13327111 0.228416 0.37371651 0.46797563 0.51030475 0.582574 0.72185946 0.2197 0.081901 0.09056058 0.15118663 0.25902278 0.511452 0.80267382 0.85597571 温度折光率g 折光率l /K 1.3932 1.3723 1.3796 1.38 1.3959 1.3985 1.4031 1.4102 1.37 1.3682 1.36 1.3737 1.3818 1.4011 1.4141 1.4165 340.04 345.87 342.15 338.95 337.80 337. 338.09 339.14 根据表2所得数据，作出环己烷—乙醇体系的沸点—组成图如下（已去除误差较大的点）：

5 / 7

根据作出的环己烷—乙醇体系的温度—组成图，可求得：

最低恒沸点约为.49℃，相应的恒沸混合物的组成X环己烷约为0.5103。

六、误差分析

1. 在给双液体系加热而产生的液相的组成并不固定，而是视加热的时间长

短而定，因造成测定的折光率产生误差；

2. 在测量过程中，虽然采用恒温槽使得阿贝折射仪的棱镜处于恒温状态，

但其他仪器的实验条件很可能出现改变。这其中包括环境温度和气压的改变导致沸点仪所处环境的改变；

3. 在实验数据的处理过程中认为测量体系的组成没有变化，但是在实际情

况下，很可能由于操作原因改变测量体系的组成。具体而言，在从沸点仪取样的过程中，以及进行折射率测量时，体系会有微量蒸发，从而使得体系的组成发生变化，即所测得的组成与液相和气相的实际组成不完全一致；

4. 测量过程中使用了刻度尺（测器外度数）和阿贝折射仪，温度计等仪器。

由于系统误差，测得数据与实际可能有所差异，导致测量结果的误差。。

七、思考题

1. 在测定恒沸点时，溶液过热或出现分流现象将使绘处的相图图形发生什

么变化？

答：当溶液出现过热或出现分馏现象,会使测沸点偏高,所以绘出的相图图形向上偏移。

6 / 7

2. 为什么工业上常生产95%酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获

得无水酒精？

答：因为蒸馏酒精时，酒精-水这个系统生成一个最低恒温混合物，蒸馏所得的产物只能是95%的酒精。

不可能。95%时就形成了乙醇-水共沸物，再蒸馏只能蒸出95%的酒精而不是水，因此不能只用精馏含水酒精的方法获得无水乙醇。工业上常在此基础上加入一定的苯，再进行蒸馏。

3. 试设计其它方法用以测定气、液两相组成，并讨论其优缺点。 答：一般有化学分析法、气相色谱法、电化学法等等，但他们也有也有缺点。化学法较麻烦，结果准确；仪器分析法所需仪器昂贵，电化学法较难。

7 / 7