实验5  双液系的气液平衡相图

丛乐 2005011007 生51

实验日期：20##年11月10日星期六 提交报告日期：20##年11月24日星期六

助教老师：贾维杰

1  引言

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；M_r=84.16）、

无水乙醇（分析纯；20℃时密度：0.789-0.791g/ml；M_r=46.07)

各种浓度的环已烷—乙醇混合溶液。

2.2        实验条件

表1  实验条件记录

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

(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

2)        实验相关数据记录

表4 实验相关数据（文献值）

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：

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-t_s)．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

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）

图4环己烷—乙醇体系的沸点——组成图

根据上页中图4中环己烷—乙醇体系的沸点——组成图，可求得：

最低恒沸点约为64.85℃。

相应的恒沸混合物的组成（环己烷质量分数）约为0.688（即68.8%）。

3.3讨论分析

1)      测定结果与文献值的比较

由文献值（见表4）可知：环己烷沸点为80.74°C，乙醇的沸点为78.32°C，环己烷—乙醇体系的最低恒沸点为64.90°C，恒沸物组成为69.50%（环己烷质量分数）。

本次实验中的测得结果（校正后）分别为81.07°C（环己烷），78.66°C（乙醇）和64.85°C（最低恒沸点），68.8%（恒沸物组成）。测定结果与文献值的相对误差为

ε（环己烷沸点）= (81.07-80.74/81.07)×100%=0.4071%

ε（乙醇沸点）= (78.66-78.32/78.66)×100%=0.4322%

ε（最低恒沸点）= (64.90-64.85/64.85)×100%=0.0771%

ε（恒沸物的组成）= (0.695-0.688/0.688)×100%=1.017%

考虑到本次实验的条件（见表1）与文献值测定的条件不同，测定值与文献值之间的偏差是比较小的，处在合理的范围之内，说明本次测量的结果较为可靠。

2)      测量过程中产生误差的可能原因及分析

测量过程中产生误差的原因可能有以下几点：

(a)    温度校正中引入的误差：在进行温度校正的过程中，虽然采用了科学有效的校正方法和计算公式，但是由于测量仪器的精确度有限，而且露出体系外水银的平均温度和辅助温度计测得的温度不可能完全一致（特别是在橡胶塞内的那一部分水银柱并没有在校正过程中予以考虑），所以可能导致测量过程中的误差。

(b)    实验条件改变：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。

(c)    测量体系的改变：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。

(d)    测定仪器的误差：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。

3)      对实验中异常现象的分析和讨论

沸点数值不稳定现象：在测量沸点时，温度计的数值开始并不稳定，时会出现波动。这一想象产生的原因主要是从沸点仪喷嘴中喷出的液流不够稳定，从而使得温度计水银球处的温度不恒定。通过适当调节加热电压，使喷出液流连续而稳定，当温度计的读数处于恒定状态后再进行测量，即可避免此异常现象的影响。

4)      对仪器装置、操作步骤、实验方法的改进意见及体会

完成全部实验和后期数据处理后，我深切地感受到这次实验利用我们所掌握的物化知识，从实验的角度对我们进行了一次充分的训练。最后所取得的实验结果是次要的，而我们所掌握的物化实验方法和对实验过程的总结分析才是关键。结合实验具体过程和感受，我对本项试验有如下几点建议和体会：

(a)    数据记录过程：在本次实验过程中，数据是人为判读和记录的，因此很可能会引入人为造成的偶然误差，如果条件允许可考虑采用数字式温度计进行温度记录。

(b)    阿贝折射仪的使用：在使用时不应移动、晃动仪器，或者调节恒温槽的温度。另外，在测定时务必调节反光镜使得明暗分界线清晰，以使得测量更准确。

(c)    实验装置和过程的设计：试验中每次用滴管取液体时应该使用不同的滴管，否则可能使得不同组成的液体混合，因此最好用标签纸对每个滴管进行标记，专管专用，以避免误差的产生。

(d)    重复实验以消除误差：实验中如果时间允许，最好用阿贝折射仪对气相和液相的折射率进行多次测量，取平均值作为结果，这样可以减小实验过程中的偶然误差。

5)      本次实验的总结与体会

在本次物理化学实验的过程中，物理化学实验室的贾维杰助教老师对我们进行了耐心的指导，给予了我们热情的帮助。当我们在实验中出现了问题，老师也没有过多责备我们，而是悉心地进行讲解，帮助我们想办法调整和修正，继续后续的实验。如果没有各位老师和助教的辛勤准备和付出，我们绝对无法顺利的完成本次的实验。您辛苦乐，非常感谢您！

4 结论

本次实验通过沸点仪和阿贝折射仪测定在常压下环已烷—乙醇的气液平衡相图（图4）。

有所得相图可求得的环己烷—乙醇体系的最低恒沸点为：64.85℃。

相应的恒沸混合物的组成（环己烷质量分数）约为0.688（即68.8%）。

本实验的结果与文献值相比误差较小，证实了利用此方法测定环已烷—乙醇的气液平衡相图的可行性与准确性。

5 参考文献

[1]朱文涛 编著 物理化学 清华大学出版社

[2]清华大学化学系物理化学实验编写组. 物理化学实验. 北京：清华大学出版社. 1991.53~58

[3]Ed. by Robert C. Weast. Handbook of Chemistry and Physics, 58^th Ed. Ohio CRC Press, 1977

6 附录

思考题：

1．使用阿贝折射仪时要注意些什么问题？如何正确使用才能测准数据？

答：用阿贝折射仪时要注意的问题主要有一下几点：

（1）实验中必须使用同一台阿贝折射仪

（2）使用阿贝折射仪时，应将折光仪置于光线充足的地方，调整反光镜到最佳位置

（3）棱镜行不能触及硬物（特别是滴管）。

（4）棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头。

（5）进行读数时每一次移动棱镜的方向应该一致。

为测准折射率数据，阿贝折射仪的正确使用方法为：将被测液体用干净滴管加在折射棱镜表面，并将进光棱镜盖上，用手轮锁紧，要求液层均匀，充满视场，无气泡。调节目镜视度和聚光镜的角度，使十字线成像清晰，此时旋转手轮，并在目镜视场中找到明暗分界线的位置，再旋转手轮使分界线不带任何彩色，微调手轮，使分界线位于十字线的中心，此时目镜视场下方显示的示值即为被测液体的折射率。读数时，应准确至小数点后第四位，即需要估读一位。每组测量应反复进行至少三次测定后，取平均值记录。

2．收集气相冷凝液的小泡D的体积太大，对测量有何影响？

答：小泡D的体积太大会造成泡内的溶液发生分馏，即溶液浓度随着气相的冷凝而不断变化，进而引成沸点不稳定，测量时间延长。且溶液的组成最终可能会发生较大变化，造成液相组成向恒沸混合物靠近，这将使数据点集中在恒沸混合物的组成附近，导致绘图不精确。

3．平衡时，气液两相温度应该不应该一样？实际是否一样？怎样防止温度的差异？

答：两相温度应该一样。实际上由于加热只局限在溶液，气相温度由于散热温度会偏低。在允许范围内适当提高加热功率，可以提高沸点仪内气液流动循环速率，有利于保持温度恒定。

4．沸腾之后，如何控制条件使温度稳定？

答：使温度稳定应通过调节电压来实现。电压不能过高，以免发生爆炸；但也不能过低，否则喷嘴喷射频率过低，可能使温度计水银球处的温度出现波动，不够稳定，影响测量结果。调节电压使温度计的示数基本恒定即可。

 

第二篇：四川理工物化实验报告-完全互溶双液系气液平衡相图的绘制

实验四 完全互溶双液系气液平衡相图的绘制

姓名：吴春明                            学号：10031010516

班级：工艺5班

一、实验目的

1、测定常压下环己烷－乙醇二元系统的气液平衡数据，绘制沸点－组成相图；

2、掌握双组分沸点的测定方法，通过实验进一步理解分馏原理；

3、掌握阿贝折射仪的使用方法。

二、实验原理

两种液体物质混合而成的两组分体系称为双液系。根据两组分间溶解度的不同，可分为完全互溶、部分互溶和完全不互溶三种情况。两种挥发性液体混合形成完全互溶体系时，如果该两组分的蒸气压不同，则混合物的组成与平衡时气相的组成不同。当压力保持一定，混合物沸点与两组分的相对含量有关。

恒定压力下，真实的完全互溶双液系的气－液平衡相图（T－x），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为三类：

（1）一般偏差：混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图1(a)所示。

（2）最大负偏差：存在一个最小蒸气压值，比两个纯液体的蒸气压都小，混合物存在着最高沸点，如盐酸－水体系，如图1 (b)所示。

（3）最大正偏差：存在一个最大蒸气压值，比两个纯液体的蒸气压都大，混合物存在着最低沸点，如正丙醇—水体系，如图1(c)）所示。

图1  二组分真实液态混合物气-液平衡相图（T－x图）

后两种情况为具有恒沸点的双液系相图。它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同，因而不能象第一类那样通过反复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离，而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。

为了测定双液系的T－x相图，需测定几组原始组成不同的双液系在气－液两相平衡后的沸点和液相、气相的平衡组成。

本实验以环己烷－乙醇为体系，该体系属于上述第3种类型，在沸点仪（如图2）中蒸馏不同组成的混合物，测定其沸点及相应的气、液二相的组成，即可作出T－x相图。

本实验中气液两相的组成均采用折光率法测定。                                                           图2                   

折光率是物质的一个特征数值，它与物质的浓度及温度有关，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。溶液的浓度不同、组成不同，折光率也不同。因此可先配制一系列已知组成的溶液，在恒定温度下测其折光率，作出折光率－组成工作曲线，便可通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的组成。

三、仪器与试剂

沸点仪，阿贝折射仪，调压变压器，超级恒温水浴，温度测定仪，长短取样管;

环己烷物质的量分数x_环己烷为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0的环己烷－乙醇标准溶液，各种组成的环己烷－乙醇混和溶液;

已知101.325kPa下，纯环己烷的沸点为80.1℃，乙醇的沸点为78.4℃。25℃时，纯环己烷的折光率为1.4264，乙醇的折光率为1.3593。

四、实验步骤：

1、环己烷－乙醇溶液折光率与组成工作曲线的测定

调节恒温槽温度并使其稳定，恒恒温水使阿贝折射仪上的温度稳定在某一定值，测量系列环己烷－乙醇标准溶液在此温度下的折光率。为了适应季节的变化，可选择若干温度测量，一般可选25℃、30℃、35℃三个温度。

2、无水乙醇沸点的测定

将干燥的沸点仪安装好。从侧管加入约20mL无水乙醇于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入液体内。冷凝管接通冷凝水。将稳流电源电流调至1.8-2.0A，使加热丝将液体加热至缓慢沸腾，待温度计的读数稳定后应再维持3～5min，以使体系达到平衡。记下温度计的读数，即为无水乙醇的沸点，同时记录大气压力。

3、环己烷沸点的测定

同第2步操作，测定环己烷的沸点。测定前应注意，必须将沸点仪洗净并充分干燥。

4、测定系列浓度待测溶液的沸点和折光率

同第2步操作，从侧管加入约20mL预先配制好的1号环己烷－乙醇溶液于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入溶液内,将液体加热至缓慢沸腾。因最初在冷凝管下端小槽内的液体不能代表平衡气相的组成，为加速达到平衡，须连同支架一起倾斜蒸馏瓶，使小槽中气相冷凝液倾回蒸馏瓶内，重复3次（注意：加热时间不宜太长，以免物质挥发），待温度稳定后，记下温度计的读数，即为溶液的沸点。

切断电源，停止加热，先用吸管从小槽中取出气相冷凝液，迅速测定各自的折光率。用烧杯盛水冷却液相，再从侧管处吸出少许液相，迅速测定各自的折光率。剩余溶液倒入回收瓶。

按1号溶液的操作，依次测定2、3、4、5、6、7、8号溶液的沸点和气－液平衡时的气、液相折光率。

五、数据处理

无水乙醇沸点：79.1        ℃     环己烷沸点  76.2℃      

表1 环己烷－乙醇标准溶液的折光率

表2 环己烷－乙醇混和液测定数据

1、作出环己烷－乙醇标准溶液的折光率－组成关系曲线，得工作曲线。

2、根据工作曲线插值求出各待测溶液的气相和液相平衡组成，填入表中。以气液两相组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的沸点－组成(T-x)平衡相图。

3、由图找出其恒沸点及恒沸组成。

答：由图知：恒沸点为62.5℃，恒沸点组成为x环己烷=0.57

数据处理过程：

液相分析：将数据带入y=0.0811x+1.3463；

所以：X1=0.0811x0.1215+1.3463=1.3574;

同理：X2=1.3602;          X3=1.3730;

      X4=1.3860;          X5=1.3965;

X6=1.4020;          X7=1.4174;

X8=1.4217 

气相冷凝液分析：将数据带入y=0.0811x+1.3463

所以：Y1=0.0811x0.2256+1.3463=1.3634;

同理：Y2=1.3747;          Y3=1.3832

      Y4=1.3953         Y5=1.3977;

Y6=1.4002;          Y7=1.4084;

Y8=1.4109; 

将以上数据画成T-x图

由图知：恒沸点为62.5℃，恒沸点组成为x环己烷=0.57。

六、注意事项

（1）、测定折光率时，动作应迅速，以避免样品中易挥发组元损失，确保数据准确。

（2）、加热电阻丝一定要被液体浸没后方可通电加热，否则电热丝易烧断，还可能会引起有机液体燃烧；所加电压不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可。

（3）、注意一定要先加溶液，再加热；取样时，应注意切断加热丝电源。

（4）、每种浓度样品其沸腾状态应尽量一致，即气泡“连续”、“均匀”、冒出为好，不要过于剧烈也不要过于慢。

（5）、先开通冷却水，然后开始加热，系统真正达到平衡后，停止加热，稍冷却后方可取样分析；每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥；取样后的滴管不能倒置。

（6）、阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及（如滴管），擦拭棱镜需用擦镜纸

七、思考题

（1）取出的平衡气液相样品，为什么必须在密闭的容器中冷却后方可用以测定其折射率？

    答：因为过热时将导致液相线向高温处移动，气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点会向易挥发组分那边偏移。所以要在密闭容器中冷却。

（2）平衡时，气液两相温度是否应该一样，实际是否一样，对测量有何影响？

答：不一样，由于仪器保温欠佳，使蒸气还没有到达冷凝小球就因冷凝而成为液相。

（3）如果要测纯环己烷、纯乙醇的沸点，蒸馏瓶必须洗净，而且烘干，而测混合液沸点和组成时，蒸馏瓶则不洗也不烘，为什么?

答：测试纯样时，如沸点仪不干净，所测得沸点就不是纯样的沸点。测试混合样时，其沸点和气、液组成都是实验直接测定的，绘制图像时只需要这几个数据，并不需要测试样的准确组成，也跟式样的量无关。

（4）如何判断气－液已达到平衡状态？讨论此溶液蒸馏时的分离情况？

答：当温度计读数稳定的时候表示气－液已达到平衡状态；

（5）为什么工业上常产生95％酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获的无水酒精？

    答：因为种种原因在此条件下，蒸馏所得产物只能得95%的酒精。不可能只用精馏含水酒精的方法获得无水酒精，95%酒精还含有5%的水，它是一个沸点为的共沸物，在沸点时蒸出的仍是同样比例的组分，所以利用分馏法不能除去5%的水。工业上无水乙醇的制法是先在此基础上加入一定量的苯，再进行蒸馏。

（6）沸点测定时有过热现象和再分馏作用，会对测量产生何种影响？

     答：会使测量的数据产生过高或过低的影响。

（7）绘制乙醇活度系数与摩尔分数关系曲线，由曲线可以得出什么结论？

     答：乙醇活度系数随着摩尔分数的增大先左逐渐升高后降低。