物化實驗報告雙液系的氣液平衡相圖辯析

1、雙液系的氣液平衡相圖 1.1實驗目的1 用沸點儀測定在常壓下環(huán)已烷乙醇的氣液平衡相圖。2 掌握阿貝折射儀的使用方法。1.2 實驗原理將兩種揮發(fā)性液體混合，若該二組分的蒸氣壓不同，則溶液的組成與其平衡氣相的組成不同。在壓力保持一定，二組分系統(tǒng)氣液達到平衡時，表示液態(tài)混合物的沸點與平衡時組成關系的相圖，稱為沸點和組成(T-x)圖。沸點和組成(T-x)的關系有下列三種：(1)理想液體混合物或接近理想液體混合物的雙液系，其液體混合物的沸點介于兩純物質沸點之間見圖1(a)；(2)各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的負偏差，其溶液有最高恒沸點見圖1(b)；(3)各組分蒸氣壓對拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，其溶

2、液有最低恒沸點見圖1(c)。第(2)、(3)兩類溶液在最高或最低恒沸點時的氣液兩相組成相同，加熱蒸發(fā)的結果只使氣相總量增加，氣液相組成及溶液沸點保持不變，這時的溫度稱恒沸點，相應的組成稱恒沸組成。第一類混合物可用一般精餾法分離出這兩種純物質，第(2)、(3)類混合物用一般精餾方法只能分離出一種純物質和另一種恒沸混合物。圖1 沸點組成圖為了測定二元液系的T-x圖，需在氣液達到平衡后，同時測定溶液的沸點、氣相和液相組成。本實驗是測定具有最低恒沸點的環(huán)己烷乙醇雙液系的T-x圖。方法是用沸點儀(圖2)直接測定一系列不同組成之溶液的氣液平衡溫度(即沸點)，并收集少量餾出液(即氣相冷凝液)及吸取少量溶液(

3、即液相)，分別用阿貝折射僅測定其折射率。為了求出相應的組成，必須先測定已知組成的溶液的折射率，作出折射率對組成的工作曲線，在此曲線上即可查得對應于樣品折射率的組成。沸點儀的種類很多，圖2所示是一種帶有電阻絲加熱的沸點儀。沸騰的溶液由噴嘴噴向溫度計，因此可以測得蒸氣與液相平衡的溫度。氣相經(jīng)冷凝后貯存在小泡內。圖2 沸點儀 1 水冷卻入口，2 氣相冷凝液貯存小泡，3 溫度計，4 噴嘴，5 電爐絲，6 調壓器2 實驗操作2.1 實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1.儀器沸點儀、調壓器、阿貝折射儀（編號 00011887）SL-1超級恒溫槽、110溫度計、酒精溫度計、滴管、放大鏡。2.藥品環(huán)己烷（分析

4、純；20時密度：g/ml；Mr=84.16）、無水乙醇（分析純；20時密度：g/ml；Mr=46.07)各種濃度的環(huán)已烷乙醇混合溶液。2.2 實驗條件表1 實驗條件記錄實驗前溫度（）實驗前大氣壓（kPa）實驗前空氣濕度實驗后溫度（）實驗后大氣壓（kPa）實驗后空氣濕度17.8102.7835%19.1102.7935%2.3 實驗操作步驟及方法要點1測定溶液的折射率 用阿貝折射儀測定環(huán)己烷、無水乙醇以及由環(huán)已烷乙醇組成的標準溶液的折射率，作折射率對組成的工作曲線。折射儀使用方法見儀器5。2檢查待測樣品的濃度在通電加熱之前，檢查沸點儀內的待測樣品的濃度是否合適。若濃度不符合要求，則加環(huán)己烷或乙醇

5、調正。3測定液相和氣相組成分別測定質量百分數(shù)為10、 30、69.5、92、975、100的環(huán)已烷乙醇溶液在沸點下的液相和氣相的組成。測定方法如下： 接通電源，通冷卻水，按要求調節(jié)調壓器，加熱溶液至沸騰。待其溫度計上所指示的溫度保持恒定后，讀下該溫度值，同時停止加熱，并立即在小泡中取氣相冷凝液，迅速測定其折射率，冷卻液相，然后用滴管將溶液攪均后取少量液相測定其折射率。若認為數(shù)據(jù)不可靠，重復上述操作。注意：每次測量折射率后，要將折射儀的棱鏡打開晾干，以備下次測定用。4繪圖由實驗數(shù)據(jù)(溫度可先不校正)繪制沸點組成草圖，根據(jù)圖形決定補測若干點數(shù)據(jù)。5注意事項1）加熱電阻絲的電壓不得超過40V。2）一

6、定要使體系達到氣液平衡即溫度穩(wěn)定后才能取樣分析。3）取樣后的滴管不能倒置。4）取氣相冷凝液的同時，停止加熱。待被測液相溶液冷卻后測其折射率。5）使用阿貝折射儀時，棱鏡行不能觸及硬物（特別是滴管）。棱鏡上加入被測溶液后立即關閉鏡頭。實驗中必須使用同一臺阿貝折射儀。6）實驗過程中必須在沸點儀的冷凝管中通入冷卻水，使氣相全部冷凝。3 結果與討論 3.1 原始實驗數(shù)據(jù)1) 原始實驗測量數(shù)據(jù)以下數(shù)據(jù)測定過程中阿貝折射儀（恒溫槽）溫度為25.0。(a)環(huán)己烷乙醇標準溶液組成與折射率的測量數(shù)據(jù)表2 環(huán)己烷乙醇標準溶液組成與折射率測量原始數(shù)據(jù)標準溶液組成（環(huán)己烷質量分數(shù)）0%（乙醇）13.2%29.0%48.

7、6%69.2%83.5%100%（環(huán)己烷）折射率1.36011.36711.37501.38741.40191.41271.4249(b)雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)表3 雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)溶液組成（環(huán)己烷質量分數(shù)）0%（乙醇）10%30%69.5%90%96%100%(環(huán)己烷)沸點（t0）/78.4073.7567.3064.8065.3468.2080.79器外度數(shù)（n）28.9024.2919.3313.9123.9119.7330.64輔助溫度計讀數(shù)（ts）/23.020.0520.323.021.124.024.0氣相折射率1.36001.36701

8、.39651.40021.40321.40601.4245液相折射率1.36031.36221.37431.39911.41601.42201.42392) 實驗相關數(shù)據(jù)記錄表4 實驗相關數(shù)據(jù)（文獻值）名稱環(huán)已烷沸點乙醇沸點環(huán)己烷乙醇恒沸點環(huán)己烷乙醇恒沸混合物組成（環(huán)己烷質量分數(shù)）數(shù)值80.74°C78.32°C64.90°C69.50%3.2計算的數(shù)據(jù)、結果1) 環(huán)己烷乙醇標準溶液的組成折射率工作曲線將表2中的數(shù)據(jù)用作圖法表示出來，可得到環(huán)己烷乙醇標準溶液的組成折射率工作曲線。結果如下一頁圖3所示：圖3環(huán)己烷乙醇標準溶液的組成折射率工作曲線 通過回歸分析，可得標

9、準曲線的方程為：y = 0.0167x2 + 0.0485x + 1.3601，其R2 = 0.9997。根據(jù)此式可以利用折射率數(shù)值求得溶液的組成。2) 雙液系平衡溫度、液相和氣相組成的測量數(shù)據(jù)的計算和處理溫度校正公式為：t = t0+ K· n· (t0-ts)其中K=0.00016。氣相和液相環(huán)己烷質量分數(shù)可通過所得的工作曲線方程y = 0.0167x2 + 0.0485x + 1.3601求得。把氣液兩相平衡時的各個數(shù)據(jù)計算處理列入表格內，結果匯總見下表5：表5 進行計算和校正后的數(shù)據(jù)匯總溶液組成（環(huán)己烷質量分數(shù)）0%（乙醇）10%30%69.5%90%96%100%

10、(環(huán)己烷)沸點（t0）/78.4073.7567.3064.8065.3468.2080.79器外度數(shù)（n）28.9024.2919.3313.9123.9119.7330.64輔助溫度計讀數(shù)（ts）/23.020.0520.323.021.124.024.0校正后沸點（t）/78.6673.9667.4564.8965.5168.3481.07氣相環(huán)己烷質量分數(shù)0.0%13.6%61.9%67.2%71.3%75.2%99.0%液相環(huán)己烷質量分數(shù)0.4%4.3%26.8%65.6%88.4%95.9%98.3%3) 利用所得數(shù)據(jù)作環(huán)己烷乙醇體系的沸點組成圖將表5中的數(shù)據(jù)作圖，可得環(huán)己烷乙醇體

11、系的沸點組成圖（見下圖4）M圖4環(huán)己烷乙醇體系的沸點組成圖根據(jù)上頁中圖4中環(huán)己烷乙醇體系的沸點組成圖，可求得：最低恒沸點約為64.85。相應的恒沸混合物的組成（環(huán)己烷質量分數(shù)）約為0.688（即68.8%）。3.3討論分析1) 測定結果與文獻值的比較由文獻值（見表4）可知：環(huán)己烷沸點為80.74°C，乙醇的沸點為78.32°C，環(huán)己烷乙醇體系的最低恒沸點為64.90°C，恒沸物組成為69.50%（環(huán)己烷質量分數(shù)）。本次實驗中的測得結果（校正后）分別為81.07°C（環(huán)己烷），78.66°C（乙醇）和64.85°C（最低恒沸點），68.

12、8%（恒沸物組成）。測定結果與文獻值的相對誤差為（環(huán)己烷沸點）= (81.07-80.74/81.07)×100%=0.4071%（乙醇沸點）= (78.66-78.32/78.66)×100%=0.4322%（最低恒沸點）= (64.90-64.85/64.85)×100%=0.0771%（恒沸物的組成）= (0.695-0.688/0.688)×100%=1.017%考慮到本次實驗的條件（見表1）與文獻值測定的條件不同，測定值與文獻值之間的偏差是比較小的，處在合理的范圍之內，說明本次測量的結果較為可靠。2) 測量過程中產(chǎn)生誤差的可能原因及分析測量過程

13、中產(chǎn)生誤差的原因可能有以下幾點：(a) 溫度校正中引入的誤差：在進行溫度校正的過程中，雖然采用了科學有效的校正方法和計算公式，但是由于測量儀器的精確度有限，而且露出體系外水銀的平均溫度和輔助溫度計測得的溫度不可能完全一致（特別是在橡膠塞內的那一部分水銀柱并沒有在校正過程中予以考慮），所以可能導致測量過程中的誤差。(b) 實驗條件改變：在測量過程中，雖然采用恒溫槽使得阿貝折射儀的棱鏡處于恒溫狀態(tài)，但其他儀器的實驗條件很可能出現(xiàn)改變。這其中包括環(huán)境溫度和氣壓的改變導致沸點儀所處環(huán)境的改變。(c) 測量體系的改變：在實驗數(shù)據(jù)的處理過程中認為測量體系的組成沒有變化，但是在實際情況下，很可能由于操作原因

14、改變測量體系的組成。具體而言，在從沸點儀取樣的過程中，以及進行折射率測量時，體系會有微量蒸發(fā)，從而使得體系的組成發(fā)生變化，即所測得的組成與液相和氣相的實際組成不完全一致。(d) 測定儀器的誤差：測量過程中使用了刻度尺（測器外度數(shù)）和阿貝折射儀，溫度計等儀器。由于系統(tǒng)誤差，測得數(shù)據(jù)與實際可能有所差異，導致測量結果的誤差。3) 對實驗中異常現(xiàn)象的分析和討論沸點數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象：在測量沸點時，溫度計的數(shù)值開始并不穩(wěn)定，時會出現(xiàn)波動。這一想象產(chǎn)生的原因主要是從沸點儀噴嘴中噴出的液流不夠穩(wěn)定，從而使得溫度計水銀球處的溫度不恒定。通過適當調節(jié)加熱電壓，使噴出液流連續(xù)而穩(wěn)定，當溫度計的讀數(shù)處于恒定狀態(tài)后再進行

15、測量，即可避免此異?，F(xiàn)象的影響。4) 對儀器裝置、操作步驟、實驗方法的改進意見及體會完成全部實驗和后期數(shù)據(jù)處理后，我深切地感受到這次實驗利用我們所掌握的物化知識，從實驗的角度對我們進行了一次充分的訓練。最后所取得的實驗結果是次要的，而我們所掌握的物化實驗方法和對實驗過程的總結分析才是關鍵。結合實驗具體過程和感受，我對本項試驗有如下幾點建議和體會：(a) 數(shù)據(jù)記錄過程：在本次實驗過程中，數(shù)據(jù)是人為判讀和記錄的，因此很可能會引入人為造成的偶然誤差，如果條件允許可考慮采用數(shù)字式溫度計進行溫度記錄。(b) 阿貝折射儀的使用：在使用時不應移動、晃動儀器，或者調節(jié)恒溫槽的溫度。另外，在測定時務必調節(jié)反光鏡

16、使得明暗分界線清晰，以使得測量更準確。(c) 實驗裝置和過程的設計：試驗中每次用滴管取液體時應該使用不同的滴管，否則可能使得不同組成的液體混合，因此最好用標簽紙對每個滴管進行標記，專管專用，以避免誤差的產(chǎn)生。(d) 重復實驗以消除誤差：實驗中如果時間允許，最好用阿貝折射儀對氣相和液相的折射率進行多次測量，取平均值作為結果，這樣可以減小實驗過程中的偶然誤差。5) 本次實驗的總結與體會在本次物理化學實驗的過程中，物理化學實驗室的賈維杰助教老師對我們進行了耐心的指導，給予了我們熱情的幫助。當我們在實驗中出現(xiàn)了問題，老師也沒有過多責備我們，而是悉心地進行講解，幫助我們想辦法調整和修正，繼續(xù)后續(xù)的實驗。如果沒有各位老師和助教的辛勤準備和付出，我們絕對無法順利的完成本次的實驗。您辛苦樂，非常感謝您！4 結論本次實驗通過沸點儀和阿貝折射儀測定在常壓下環(huán)已烷乙醇的氣液平衡相圖（圖4）。有所得相圖可求得的環(huán)己烷乙醇體系的最低