二組分完全互溶系統(tǒng)的氣液平衡相圖

1、二組分完全互溶系統(tǒng)的氣液平衡相圖周韜摘要：測定了乙醇-環(huán)己烷完全互溶系統(tǒng)的氣-液平衡相圖。在相圖上，以環(huán)己烷占互溶系統(tǒng)的摩爾含量作為橫坐標，以混合物的沸點為縱坐標，分別從分析純的乙醇出發(fā)和分析純的環(huán)己烷出發(fā)，制作出完整的混合溶液相圖。實驗中通過控制壓力相等的條件測定相圖需要的各項數(shù)據(jù)，混合物溶液各組分的含量利用折光率不同來確定。實驗結(jié)果與理論值能夠很好的符合。關(guān)鍵詞：相律；折射率；沸點。1 前言圖 1 文獻的工作曲線許新華，王曉崗，劉梅川等人的“雙液系氣液平衡相圖實驗的新方法研究”中討論了自制工作曲線和引用文獻數(shù)據(jù)的優(yōu)良，由于實驗環(huán)境等因素的影響，文獻值之間也會有差別，所以文獻數(shù)據(jù)并不能很好地

2、反映真實情況，而自制工作曲線由于溶液配制時會揮發(fā)，準確濃度的溶液配制又有難度。另一方面氣相測折光率確定組分是，由于氣相冷凝液非常少，難以進行平行測定，偶然誤差比較大。他們在文獻中提到的解決辦法是，用氣相色譜法是進行微量樣品分析。借鑒氣相色譜實驗定量配制混合樣品的方法，比較精確地配制出乙醇環(huán)己烷標準組成溶液。對最后得出的實驗數(shù)據(jù)用Origin處理得到如下的工作曲線（圖1）：進行實驗時，由于器材和時間的限制，我們采用直接引用文獻數(shù)據(jù)和測定折光率的方式。最后的數(shù)據(jù)進行溫度校正之后作圖，得到的工作曲線依然可以很好地和文獻相吻合。2實驗部分2.1原理兩種液態(tài)物質(zhì)若能以任意比例混合，則稱為二組分完全互溶混

3、合物系統(tǒng)。當其蒸氣壓與外壓相當時，溶液就會沸騰，此時的溫度稱為沸點，沸騰的溶液也產(chǎn)生了氣相和液相兩種相數(shù)。在一定壓力下，二組分完全互溶混合物系統(tǒng)的沸點可能有三種情況：混合物的沸點介于兩種純液體的沸點之間，這種混合物，氣液兩項的組成不同，可以通過精餾使系統(tǒng)的兩個組分完全分離開；混合物有沸點極大值；混合物有沸點極小值。、兩種由于實際系統(tǒng)嚴重偏離了拉烏爾定律，項負偏差很大，在相圖上有沸點極大值，項的正偏差很大，會產(chǎn)生沸點極小值，后面兩種混合物情況，難以用精餾的方式將兩種液體分離開。相律，是研究相平衡的基本規(guī)律，表示平衡物系中的自由度數(shù)，相數(shù)及獨立組分數(shù)之間的關(guān)系。其最普遍的表達式為f=N-R-R-P

4、+2=C-P+2。N、P分別表示描述體系的物種數(shù)和相數(shù)。f 為自由度數(shù), 即保持體系相數(shù)及相態(tài)不變的情況下, 體系可以獨立改變的強度變量數(shù)。C 為組分數(shù), 即可以表達平衡體系所有相的最小物種個數(shù)。相圖是用來表示材料相的狀態(tài)和溫度及成分關(guān)系的綜合圖形，其所表示的相的狀態(tài)是平衡狀態(tài)。為了確定二組分完全互溶混合物系統(tǒng)的相圖，根據(jù)上面相律所述，控制溶液的壓力，測定在一定要下的沸點和組成，作T（溫度）x（組成）圖像。在確定相圖之后，對于確定該兩種液體的混合物，通過測定沸點可以查看其組成，也可測定其組成了解其在一定溫度下的相態(tài)。本實驗中，在常壓下測定物質(zhì)的沸點，通過折光率來確定混合物氣相和液相的組成，即可

5、以作出完整相圖。折光率定義：n = c1/c2,其中c表示在不同介質(zhì)里的光速。物質(zhì)的折光率因溫度或光線波長的不同而改變，透光物質(zhì)的溫度升高，折光率變小；光線的波長越短,折光率越大。作為液體物質(zhì)純度的標準，折光率比沸點更為可靠。在蒸餾兩種或兩種以上的液體混合物且當各組分的沸點彼此接近時，那么就可利用折光率來確定餾分的組成。因為當組分的結(jié)構(gòu)相似和極性，混合物的折光率和物質(zhì)的量組成之間常呈線性關(guān)。2.2實驗方法主要儀器及藥品儀器 沸點儀；WAY-2S數(shù)字阿貝折光儀；超級恒溫槽；調(diào)壓變壓器；溫度計（50100，1/10）1支；普通溫度計（0100）1支；250mL燒杯1只；10mL針筒、1mL針筒各1

6、只；電吹風1只；滴管若干；擦鏡布。試劑 環(huán)己烷（AR）；無水乙醇（AR）。圖 2沸點儀實驗方法安裝沸點儀，同時將固定超級恒溫槽的溫度為30.00。沸點儀如圖2所示，用乙醇環(huán)己烷混合溶液的廢液洗滌沸點儀，用電吹風將儀器內(nèi)部吹干，如圖連接好各部分，從燒瓶的2號口倒入純乙醇（乙醇要浸沒加熱絲部分），旋好玻璃塞，接通冷凝水，調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器對其加熱。測定折光率。待溶液保持沸騰且溫度計讀數(shù)穩(wěn)定之后，記錄主溫度計、輔助溫度計以及主溫度計露出燒瓶處的讀數(shù)。停止加熱，用燒杯盛水冷卻燒瓶外表，待冷卻至接近室溫后，用吹干的滴管分別取殘留液（燒瓶中）和冷凝液測定其在30.00的折光率，每組折光率平行測定2次。（比較兩

7、者之間以及兩者與純環(huán)己烷的折光率差別，若三者在誤差允許范圍內(nèi)相等，則繼續(xù)實驗）。用注射器向燒瓶中注射1mL純環(huán)己烷，按上述步驟測定沸點和折光率（包括冷凝液和殘留液）。繼續(xù)向燒瓶注射3mL、5mL、5mL、7mL純環(huán)己烷,并按相同方法測定沸點和折光率，直至冷凝液和殘留液的折光率在誤差允許范圍內(nèi)相等。用廢液洗滌裝置，電吹風吹干，向燒瓶中加入純環(huán)己烷，按步驟將環(huán)己烷和乙醇的順序反過來測定沸點和折光率。數(shù)據(jù)記錄和處理下表中，表1以乙醇為主體，向其中逐步添加環(huán)己烷，表2以環(huán)己烷為主體，向其中逐步添加乙醇。兩表中的組成都已環(huán)己烷所占摩爾分數(shù)表示。表 1 環(huán)己烷（2）-乙醇（1）液態(tài)混合物的氣-液平衡數(shù)據(jù)環(huán)

8、己烷/mL露莖/主溫/輔溫/氣相折射率1氣相折射率2氣相組成液相折射率1液相折射率2液相組成溫度校正/K057.1978.3125.91.35721.357601.35721.35720351.63157.1977.0227.31.35981.35980.031.35791.35820.013350.32357.1973.4127.81.37431.37410.1981.36121.36140.047346.68357.1970.3327.31.38491.38520.3391.36461.36470.087343.57557.1967.48261.39311.39330.4671.37071

9、.37040.153340.70557.1966.3326.71.39421.39450.4851.37541.37550.214339.54955.3865.2261.39581.39550.5071.38481.38550.349338.41854.386526.71.39611.3960.5131.38871.3890.398338.211052.6164.82271.39641.39650.5221.39241.39260.456338.041052.6164.8126.61.39661.39660.5251.39531.39590.504338.03表 2 環(huán)己烷（1）-乙醇（2）液

10、態(tài)混合物的氣-液平衡數(shù)據(jù)乙醇/mL露莖/主溫/輔溫/氣相折射率1氣相折射率2氣相組成液相折射率1液相折射率2液相組成溫度校正/K057.1780.5126.51.42031.420411.42021.42041353.860.257.1775.726.21.41341.4130.8491.41951.41950.979348.990.357.1771.626.91.40441.40470.6661.41821.41840.955344.850.557.1768.88271.40151.40150.6081.41671.4170.921342.11157.176627.31.39831.3983

11、0.5521.41411.41430.868339.20357.1765.0427.31.39741.39740.5391.40731.40740.722338.24557.1764.926.81.39681.39630.5241.40021.40040.588338.10457.1764.4326.11.39651.39680.5241.39531.39520.502337.62157.1764.42251.39621.39620.5181.39521.39520.502337.613 結(jié)果與討論3.1結(jié)果根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)，以組成（環(huán)己烷所占質(zhì)量分數(shù)）為橫坐標，校正后的沸點溫度為縱坐標

12、作圖，各數(shù)據(jù)點間用平滑的曲線連接，得到完整的環(huán)己烷-乙醇液態(tài)混合物的氣-液平衡相圖（圖3）。圖 3 環(huán)己烷乙醇完全互溶系統(tǒng)氣液平衡相圖從表中數(shù)據(jù)分析，實驗測得的共沸點為64.46，在共沸點時，環(huán)己烷的含量約為0.502至0.524之間,CRC上的共沸點為64.8，共沸點時混合物中環(huán)己烷的比例為0.5460，可以看出實驗值要比文獻值低。3.2討論沸點儀中盛氣相冷凝液的小球如果體積過大會導致混合物在加熱過程中達到平衡耗費的時間增大，過小時盛裝的液體量過少，在測定折光率時容易引進偶然誤差。實驗過程中應(yīng)該盡量避免冷凝液揮發(fā)，但是，如果揮發(fā)，不必重新配制溶液進行測定，只需要重新加熱沸騰、冷凝、取樣測定即

13、可。測定純乙醇和純環(huán)己烷是，需要將沸點儀吹干，因為相圖中需要純組分的數(shù)據(jù)，其組成不是由折光率推算，所以純組分應(yīng)該保證液體中不含其它雜質(zhì)；而混合物的測定則不需要將其吹干，因為其沸點直接測量，組分含量由折光率的測定推算。測定純組分的沸點時，冷凝液和殘留液同樣為相同的純組分，所以所測定的折光率應(yīng)該相同。實驗中如果兩者的折光率不相同，說明純組分中混進了其他雜質(zhì)，如純乙醇中混進環(huán)己烷，此時應(yīng)該回收廢液并檢驗所用原料的折光率是否與文獻值相同，洗凈并吹干裝置，重新進行實驗。乙醇-環(huán)己烷完全互溶組分的平衡相圖如圖2所示，從圖中可以看出，混合物有沸點極小值，所以從理論上來說，不能通過簡單的蒸餾得到兩種純組分，只

14、能通過其他手段得到。從上文的表1和表2同樣可以看出，在解熱至沸騰時，無論是氣相冷凝液還是液相殘留液，兩者的折光率都與純組分不相同，也就是說，兩種液體都是乙醇和環(huán)己烷的混合物，所以不能通過簡單的蒸餾得到兩種純組分。相圖左側(cè)王右側(cè)看，在到達恒沸點之前，隨著環(huán)己烷加入量的增加，混合物沸點逐漸降低，氣、液兩項的折光率的逐漸增加，且氣相的折光率高于液相（氣相中環(huán)己烷的含量多于液相）；越過恒沸點之后，隨著環(huán)己烷量的增加，混合物的沸點逐漸增加，氣、液兩項的折光率逐漸降低，且氣相的折光率式中低于液相的折光率。4 結(jié)論在系統(tǒng)不受廣義力作用，且沒有絕熱壁、剛性壁和半透膜的條件下，前文提到的相律公式可以準確應(yīng)用。如

15、果相與相之間有絕熱壁存在, 各相的溫度有可不同; 如果相與相之間有剛性壁或半透膜隔開時, 各相的壓力也可能不同, 此時系統(tǒng)的總強度變量數(shù)增加, 自由度就比由Gibbs 相律計算的要多。此實驗方法得出的相平衡圖較為準確，并且實驗方法簡單，實驗儀器并不復雜。實驗測得的共沸點和環(huán)己烷所占摩爾分數(shù)都比文獻值低?？赡苁且驗榄h(huán)境壓強不同導致實驗測得的沸點比實驗值要低?？梢?，實驗中有誤差導致結(jié)果與文獻值有偏差。其主要的實驗誤差來源主要有：取樣和分析不準確。試樣本身純度不夠高，或者純物質(zhì)測定時混合了其他雜質(zhì)，或其他會引起樣品組成改變的影響的因素。環(huán)境因素的影響。在實驗數(shù)據(jù)處理中對沸點進行了校正，但是當?shù)氐拇髿鈮簺]有進行校正，而壓強對溶液的沸點會產(chǎn)生影響；另外，折光率與溫度相關(guān)，實驗種，用超級恒溫槽對阿貝折光儀進行溫度控制，但是，溫度仍然會呈現(xiàn)上下波動，所以，折光率的