雙液系的氣液平衡相圖

1、雙液系的氣液平衡相圖Gfanqi PB14207083中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 摘要：本實(shí)驗(yàn)利用沸點(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。并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。關(guān)鍵詞：最低恒沸點(diǎn)、阿貝折射儀分餾、恒沸物。實(shí)驗(yàn)部分一、前言：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。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)。通常用幾何作圖的方法將

2、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Tx相圖，在一定溫度下還可畫出體系的壓力P與組成的Px關(guān)系圖。這樣得出的而結(jié)果具有重要的研究指導(dǎo)與生產(chǎn)實(shí)踐意義。二、實(shí)驗(yàn)器材與試劑沸點(diǎn)儀 1套 阿貝折射儀 1臺調(diào)壓變壓器 1只 超級恒溫水浴 1臺水銀溫度計(jì)（50100，分度為0.1） 1支 （050，分度為0.1） 1支10mL，20mL，50mL移液管各1支干燥吸管 2030支 擦鏡紙 正丙醇（純度99.5%） H2O。三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際溶液由于AB兩組分的相互影響，常與拉烏爾定律有較大的偏差。在TX圖上可能有最低和最高點(diǎn)出現(xiàn)。如圖（52）、（53）所示。這些點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)。其相應(yīng)的溶液稱為

3、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

4、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TX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

5、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¾¾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。四、儀器構(gòu)造與設(shè)定沸點(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

6、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

7、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： Dt露/=1.6´10-4·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

8、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。1.6´10-4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+Dt壓+Dt露圖5-5 溫度計(jì)露莖校正示意圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1、正丙醇水溶液折光率與組成工作曲線的

9、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。（3） 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54安裝好，注意帶有溫度計(jì)和加熱絲的橡皮塞要塞緊

10、，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

11、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23次，取讀數(shù)的平均值。 5、用10mL移液管移取H2O 0.5 mL，從支管L加入燒瓶中，以改變?nèi)芤旱目偨M成，按步驟34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

12、燒瓶中加入1，1.5，2，2.5，4，6mL的水，仍按步驟34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

13、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6971%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。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1、實(shí)驗(yàn)圖像實(shí)驗(yàn)測得水正丙醇體系恒沸點(diǎn)的溫度為：87恒沸點(diǎn)時(shí)的正丙醇的百分含量為：72.5%2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)書中所給數(shù)據(jù)，正丙醇水體系最低恒沸點(diǎn)在87左右，正丙醇百分含量在69%71%之間?？芍惴悬c(diǎn)溫度大致符合，而測得的正丙醇百分含量偏高。在圖像上看，最低恒沸點(diǎn)

14、的位置具有較大相對不確定性使得結(jié)果略微有一些偏差。不考慮這個(gè)因素的話，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)還算是符合預(yù)期的。3、誤差分析1) 偶然誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果測定的雙葉體系組分是利用其折射率得到，因此使用儀器讀數(shù)的結(jié)果將直接作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是由于人眼視覺分辨率的限制，看到的界限與十字中心可能存在一定的偏差，而這直接使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離真實(shí)值0.001*n個(gè)D，由于折射儀本身靈敏度不是很高，這樣的結(jié)果就會使算出來的濃度有較大偏移。2) 系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)上存在以下一些不可避免的因素：取出的液相與氣象的溶液本身溫度較高，加之正丙醇揮發(fā)性較強(qiáng)，所以取出的液體需要馬上冷卻以減少因揮發(fā)而引起的實(shí)驗(yàn)誤差。然而實(shí)際操作過程中有將溶液

15、轉(zhuǎn)移出來在測的過程，因而揮發(fā)因素不可避免的。另外，折光儀本身靈敏讀不高（從純水到純正丙醇變化0.05個(gè)單位），而且從小數(shù)第三位值開始就是不準(zhǔn)確的（由同一組數(shù)據(jù)三次測量結(jié)果的精密度得知）因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身不具有很高的可靠性。所取的氣相成分應(yīng)該越少越好，所得到的測量結(jié)果就越接近真實(shí)值，然而實(shí)際操作過程中，如果氣相取得越少，則測量過程中就會存在較大困難而且使得測量的樣品易受到折光儀上殘存物質(zhì)的影響。3) 其他因素A、 這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出，是兩個(gè)人分別用兩臺儀器測量得到。兩個(gè)人不同的測量標(biāo)準(zhǔn)不一樣加之不同儀器的的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性是有待考證的，而且所用的一個(gè)參比標(biāo)準(zhǔn)是事先統(tǒng)一用一臺儀器做的

16、，而不是每臺儀器自己做一個(gè)參比標(biāo)準(zhǔn)。本身這在實(shí)驗(yàn)上使不符合要求的，但基于我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的原因。而這樣做的結(jié)果必然使實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大誤差。由實(shí)驗(yàn)處理部分可知，考慮這些因素后，盡可能對數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，然后做的圖得到結(jié)果，這個(gè)結(jié)果很大程度上是與預(yù)期一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是可靠的。B、 實(shí)驗(yàn)裝置是與大氣相通的，借助不活潑氣體對純液體蒸汽壓的影響公式（Pg是當(dāng)外壓為P時(shí)，純液體的飽和蒸汽壓，可對應(yīng)于雙液系的蒸汽壓；Pg是當(dāng)存在惰性氣體時(shí)，液體的飽和蒸汽壓；P為外壓，R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度），可知有空氣進(jìn)入體系時(shí)，會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。六、參考資料物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 崔獻(xiàn)英等編著 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社物理化學(xué) 傅獻(xiàn)彩

17、 等編 高等教育出版社大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)第一冊 霍劍青等編 高等教育出版社附錄數(shù)據(jù)處理部分一、 實(shí)驗(yàn)條件 實(shí)驗(yàn)前：P=102.46KPa T室溫=20.7實(shí)驗(yàn)后：P=102.42KPa T室溫=21.3 P平均=102.44KPa二、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（液相）（氣相）t觀()t環(huán)()t() (橡皮塞)水 (40mL)+正丙醇0mL1.3351 1.3350 1.3351 1.3350 1.3353 1.3352 99.95 23.35 67.20.5mL1.3354 1.3353 1.3352 1.3650 1.3645 1.3645 99.41 22.90 67.21mL1.3355 1

18、.3356 1.3356 1.3711 1.3709 1.3710 98.45 25.50 67.21.5mL1.3367 1.3366 1.3366 1.3701 1.3701 1.3700 96.00 23.80 67.22mL1.3390 1.3387 1.3385 1.3762 1.3761 1.3764 9.90 23.20 67.24mL1.3446 1.3446 1.3445 1.3774 1.3774 1.3773 90.40 23.00 67.210mL1.3569 1.3565 1.3567 1.3772 1.3772 1.3772 88.21 21.50 67.220mL

19、1.3682 1.3683 1.3681 1.3775 1.3776 1.3775 87.80 20.70 66（液相）（氣相）t觀()t環(huán)()t() (橡皮塞)正丙醇 (50mL)+水0mL1.3861 1.3860 1.3860 1.3857 1.3860 1.3864 96.60 22.05 63.80.5mL1.3864 1.3865 1.3860 1.3855 1.3860 1.3850 94.80 21.70 641mL1.3854 1.3859 1.3859 1.3839 1.3840 1.3836 92.30 21.85 641.5mL1.3850 1.3852 1.3852

20、1.3814 1.3820 1.3820 90.00 22.00 642mL1.3834 1.3835 1.3844 1.3814 1.3820 1.3820 88.70 23.10 642.5mL1.3826 1.3826 1.3826 1.3796 1.3800 1.3800 87.90 23.90 646mL1.3790 1.3805 1.3799 1.3799 1.3799 1.3799 87.00 24.40 644mL1.3780 1.3785 1.3780 1.3785 1.3795 1.3794 87.60 24.40 64（來自馬凱玥）2、 正丙醇水雙液相圖實(shí)驗(yàn)工作曲線原始數(shù)

21、據(jù)折光率正丙醇質(zhì)量百分比濃度1.33260.0001.341810.0011.350419.9931.356930.0041.362740.0031.367950.1691.372259.9971.376269.9291.379579.8891.382289.90825 時(shí)工作曲線25正丙醇水溶液折光率正丙醇質(zhì)量百分比濃度正丙醇質(zhì)量百分?jǐn)?shù)折光率換算公式：(25782000-76585300*N（折光）+85320100*N（折光）*N（折光）-42250100*N（折光）*N（折光）*N（折光）+7846860*N（折光）*N（折光）*N（折光）*N（折光）由于儀器的偏差：將所有計(jì)算結(jié)果做以下處理：通過上式計(jì)算純水以及純正丙醇的中的質(zhì)量濃度，分別記為C1、C2。將每個(gè)值減去純水下的計(jì)算結(jié)果后除以（