物化实验报告 - 双液系的气液平衡相图辩析

双液系的气液平衡相图

1.1实验目的

1． 用沸点仪测定在常压下环已烷—乙醇的气液平衡相图。 2． 掌握阿贝折射仪的使用方法。

1.2 实验原理

将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。第一类混合物可用一般精馏法分离出这两种纯物质，第(2)、(3)类混合物用一般精馏方法只能分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。

图1 沸点组成图

为了测定二元液系的T-x图，需在气液达到平衡后，同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。

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(图2)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)，分别用阿贝折射仅测定其折射率。为了求出相应的组成，必须先测定已知组成的溶液的折射率，作出折射率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折射率的组成。

沸点仪的种类很多，图2所示是一种带有电阻丝加热的沸点仪。沸腾的溶液由喷嘴喷向温度计，因此可以测得蒸气与液相平衡的温度。气相经冷凝后贮存在小泡内。

图2 沸点仪

1 水冷却入口，2 气相冷凝液贮存小泡，3 温度计，4 喷嘴，5 电炉丝，6 调压器

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图

1.仪器

沸点仪、调压器、阿贝折射仪（编号 00011887）

SL-1超级恒温槽、1／10℃温度计、酒精温度计、滴管、放大镜。 2.药品

环己烷（分析纯；20℃时密度：0.778-0.779g/ml；Mr=84.16）、 无水乙醇（分析纯；20℃时密度：0.789-0.791g/ml；Mr=46.07) 各种浓度的环已烷—乙醇混合溶液。

2.2 实验条件

实验前温度（℃） 17.8 实验前大气压（kPa） 102.78 表1 实验条件记录 实验前空实验后温度气湿度 （℃） 35% 19.1 实验后大气压（kPa） 102.79 实验后空气湿度 35% 2.3 实验操作步骤及方法要点

1．测定溶液的折射率

用阿贝折射仪测定环己烷、无水乙醇以及由环已烷—乙醇组成的标准溶液的折射率，作折射率对组成的工作曲线。折射仪使用方法见仪器5。

2．检查待测样品的浓度

在通电加热之前，检查沸点仪内的待测样品的浓度是否合适。若浓度不符合要求，则加环己烷或乙醇调正。

3．测定液相和气相组成

分别测定质量百分数为10％、 30％、69.5％、92％、97．5％、100％的环已烷—乙醇溶液在沸点下的液相和气相的组成。测定方法如下：

接通电源，通冷却水，按要求调节调压器，加热溶液至沸腾。待其温度计上所指示的温

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，迅速测定其折射率，冷却液相，然后用滴管将溶液搅均后取少量液相测定其折射率。若认为数据不可靠，重复上述操作。注意：每次测量折射率后，要将折射仪的棱镜打开晾干，以备下次测定用。

4．绘图

由实验数据(温度可先不校正)绘制沸点——组成草图，根据图形决定补测若干点数据。 5．注意事项

1）加热电阻丝的电压不得超过40V。

2）一定要使体系达到气液平衡即温度稳定后才能取样分析。 3）取样后的滴管不能倒置。

4）取气相冷凝液的同时，停止加热。待被测液相溶液冷却后测其折射率。 5）使用阿贝折射仪时，棱镜行不能触及硬物（特别是滴管）。棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头。实验中必须使用同一台阿贝折射仪。

6）实验过程中必须在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。

3 结果与讨论

3.1 原始实验数据

1) 原始实验测量数据

以下数据测定过程中阿贝折射仪（恒温槽）温度为25.0℃。 (a)环己烷—乙醇标准溶液组成与折射率的测量数据

表2 环己烷—乙醇标准溶液组成与折射率测量原始数据 0% 标准溶液组成 13.2% （环己烷质量分数） （乙醇） 29.0% 48.6% 69.2% 83.5% 100% （环己烷） 1.3601 1.3671 1.3750 1.3874 1.4019 1.4127 1.4249 折射率 (b)双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据

表3 双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据 0% 100% 溶液组成 10% 30% 69.5% 90% 96% (环己烷) （环己烷质量分数） （乙醇） 78.40 73.75 67.30 64.80 65.34 68.20 80.79 沸点（t0）/℃ 28.90 24.29 19.33 13.91 23.91 19.73 30.64 器外度数（n） 23.0 20.05 20.3 23.0 21.1 24.0 24.0 辅助温度计读数（ts）/℃ 1.3600 1.3670 1.3965 1.4002 1.4032 1.4060 1.4245 气相折射率 1.3603 1.3622 1.3743 1.3991 1.4160 1.4220 1.4239 液相折射率 2) 实验相关数据记录

表4 实验相关数据（文献值） 环己烷—乙醇恒沸混合物组环己烷—乙醇 名称 环已烷沸点 乙醇沸点 成 恒沸点 （环己烷质量分数） 数80.74°C 78.32°C 64.90°C 69.50% 值

3.2计算的数据、结果

1) 环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线

将表2中的数据用作图法表示出来，可得到环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线。结果如下一页图3所示：

1.431.421.41折射率回归分析结果折射率1.41.391.381.371.361.350.000.200.400.60溶液组成（环己烷质量分数）0.801.00图3环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线 通过回归分析，可得标准曲线的方程为：y = 0.0167x2 + 0.0485x + 1.3601，其R2 = 0.9997。根据此式可以利用折射率数值求得溶液的组成。 2) 双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据的计算和处理

温度校正公式为：t’ = t0+ K· n· (t0-ts)．其中K=0.00016。气相和液相环己烷质量分数可通过所得的工作曲线方程y = 0.0167x2 + 0.0485x + 1.3601求得。

把气液两相平衡时的各个数据计算处理列入表格内，结果汇总见下表5：

表5 进行计算和校正后的数据汇总 0% 100% 溶液组成 10% 30% 69.5% 90% 96% （乙醇） (环己烷) （环己烷质量分数） 78.40 73.75 67.30 64.80 65.34 68.20 80.79 沸点（t0）/℃ 28.90 24.29 19.33 13.91 23.91 19.73 30.64 器外度数（n） 23.0 20.05 20.3 23.0 21.1 24.0 24.0 辅助温度计读数（ts）/℃ 78.66 73.96 67.45 64.89 65.51 68.34 81.07 校正后沸点（t’）/℃ 0.0% 13.6% 61.9% 67.2% 71.3% 75.2% 99.0% 气相环己烷质量分数 0.4% 4.3% 26.8% 65.6% 88.4% 95.9% 98.3% 液相环己烷质量分数 3) 利用所得数据作环己烷—乙醇体系的沸点——组成图 将表5中的数据作图，可得环己烷—乙醇体系的沸点——组成图（见下图4）

8482807876 气相线液相线沸点/℃74727068666462600.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00M 溶液组成（环己烷质量分数）图4环己烷—乙醇体系的沸点——组成图