二组份合金体系相图的绘制
一 实验目的要求
1.用热分析法测量铅、锡二元金属相图,了解固-液相图的基本特点。
2.学会热电偶测温技术。
3.掌握可控升降温电炉和数字式控温仪的使用方法。
二 实验原理
1. 二组分固-液相图
以体系所含物质的组成为自变量,温度为应变量所得到的T-X图是常见的一种相图。
二组分体系的自由度与相的数目有以下关系:
自由度=组分数-相数+2
图Ⅱ-7-1(a)以邻-、对-硝基氯苯为例表示有低共溶点相图的构成情况:高温区为均匀的液相,下面是三个两相共存区,至于两个互不相溶的固相A、B和液相L三相平衡共存现象则是固-液相图所特有的。在三相共存的水平线上,自由度等于零。处于这个平衡状态下的温度TE、物质组成A、B和XE都不可改变。TE和XE构成的这一点称为低共熔点。
2.热分析法和步冷曲线
热分析法是相图绘制工作中常用的一种实验方法。按一定比例配成均匀的液相体系,让它缓慢冷却,以体系温度对时间作图,则为步冷曲线。
图Ⅱ-7-1(b)为与图(a)标示的三个组成相应的步冷曲线。曲线(Ⅰ)表示,将纯B液体冷却至TB时,体系温度将保持恒定直到样品完全凝固。曲线上出现一个水平段后再继续下降。在一定压力下,单组分的两相平衡体系自由度为零,TB是定值。曲线(Ⅲ)具有低共溶物的成分。该液体冷却时,情况与纯B体系相似。曲线(Ⅱ)代表了上述两组成之间的情况。设把一个组成为X1的液相冷却至T1,即有B的固相析出。与前两种情况不同,这时体系还有一个自由度,温度将可继续下降。不过由于B的凝固所释放的热效应将使该曲线的斜率明显变小,在T1处出现一个转折。
三 实验仪器与试剂
KWL-09多头可控升降温电炉。
SWKY-1型数字控温仪,配控温热电偶和测温热电偶。
微型计算机,金属相图测绘软件。
1~6号样品,分别为含铅0、20、40、60、80、100%的铅锡合金
实验者自备U盘一个。
四 实验步骤
1. 检查1~6号样品管是否依次放在试管架上,控温探头Ⅰ是否放入加热腔内,测温探头Ⅱ应放在1号样品管内。
2. 依次打开微型计算机和SWKY—1型数字控温仪的电源开关,调节SWKY—1型数字控温仪至380℃;按“工作/置数”键使工作指示灯亮,电炉开始通电升温。
3. 从微型计算机桌面双击“金属相图1.5”软件,进入软件主界面,点击“设置坐标”,弹出对话框,设置温度范围0~400℃,时间20min。
4. 从试管架上取出1号样品管放入电炉加热腔内,待“温度显示Ⅱ”示数(即样品的温度)升至380℃时(整个实验期间要绝对避免温度超过400℃,以免损坏仪器),小心将l号样品管连同测温热电偶移至冷却腔内,把2号样品管放入加热腔内加热。待“温度显示Ⅱ”示数开始下降时,点击“开始绘图”,金属相图软件会记录1号样品的步冷曲线图,当温度降至140℃,点击“停止绘图”。点击“保存”,文件名为“实验者姓名—00”,然后将1号样品管放回试管架原位置,将测温探头Ⅱ插入2号样品管内,待温度超过350℃时,小心将2号样品管连同测温热电偶移至冷却腔内,按照1号样品相同步骤冷却绘图,并保存文件名为“实验者姓名—20”。
5.用同样的方法测余下4个样品的步冷曲线图。(在绘制6号样品图像的同时,把1号样品放在炉腔加热。) 完毕后关闭SWKY—1型数字控温仪。
五 数据记录及整理
1.数据记录:
(1)记下“实验者姓名-00”跟“实验者姓名-100”的平台温度,以及“实验者姓名-20”、“ 实验者姓名-40”、“ 实验者姓名-60”、“ 实验者姓名-80”的平台温度和拐点温度。
(2)点击主界面“打开”键,在弹出对话框后选择文件“实验者姓名—00”,用鼠标点击图像,在平台曲线前中后各取1点,读取3点的 “纵坐标”并取这3点“纵坐标”的平均值,记录于下表,同时清屏;打开“实验者姓名—100”用鼠标点击图像,在平台曲线前中后各取1点,读取3点的 “纵坐标”并取这3点“纵坐标”的平均值,记录于下表,同时清屏;打开“实验者姓名—20”,点击第一拐点,读取并记录拐点温度,并找出该曲线的平台曲线温度,并记录于下表,同时清屏;依次读取“实验者姓名—20” “实验者姓名—40”、“ 实验者姓名—60”和“实验者姓名—80”的拐点与平台温度。
(3)退出程序“金属相图1.5”,打开程序“金属相图1 .1”,设置坐标“温度0-400℃,时间20min”. 点击“步冷曲线/金属相图”后,设置坐标“0-400℃”,再点击“相点坐标”,弹出对话框“金属相图坐标点”,输入低共熔点温度(即“实验者姓名—20”、 “实验者姓名—40”、“ 实验者姓名—60”、“ 实验者姓名—80”平台温度的平均数),测试次数为6。
点击“添加”,此时下方会给出6组数据填写框,在其左侧方格内分别填入实验者姓名—00平台温度、实验者姓名—100平台温度、实验者姓名—20拐点温度、实验者姓名—40拐点温度、实验者姓名—60拐点温度、实验者姓名—80拐点温度,在右侧依次为0、100、20、40、60、80,点击“确定”后,在主界面上点击“绘制相图”,此时软件会拟合出金属相图,保存文件名为 “实验者姓名-TU”。按键盘上“Print Screen SysRq”键进行拷屏,将其粘贴在word文档中并存盘至“金属相图数据文件夹”下,文件名为“实验者姓名TU”,用U盘将其拷回作为电子版实验报告数据相图。
(4)关闭电脑,整理实验台面。
2.数据处理
(1)绘制步冷曲线(含铅量不同的)。
(2)绘制金属相图,找出最低共熔点的温度及组成。
六实验结果及分析
七思考题
1. 步冷曲线各段的斜率以及水平段的长短与哪些因素有关?
2. 对于不同成分的混合物的步冷曲线,其水平段有什么不同?
3. 试从实验方法比较测绘气-液相图和固-液相图的异同点。
实验四 二组分体系气液平衡相图
一.实验目的
1.了解液体沸点的测定方法。
2.掌握温度计的露茎校正方法。
3.掌握阿贝折光仪的原理及使用方法
4.测定环己烷——乙醇二元系统气液平衡数据,给出沸点组成图。
二.实验原理
常温下两液态物质混合构成的体系称为双液系。若该双液系能按任意比例混合成为一相则称为完全互溶双液系。若只能在一定比例范围内混合成为一相,其它比例范围内为两相则称部分互溶双液系。环己烷——乙醇体系是完全互溶双液系。液体的沸点是指液体的蒸气压和外压相等时的温度。在一定外压下纯液体的沸点有确定值。但是双液系沸点不仅与外压有关还随双液系的组成的改变而改变。同时,在一般情况下双液系蒸馏时的气相组成和液相组成并不相同,因此原则上可通过反复蒸馏即精馏的方法分离双液系中的两液体。但是当双液系具有恒沸点时,不能用单纯蒸馏的方法分离两液体。
如图4.1所示,本实验所用体系环己烷——乙醇的温度组成图是一个典型的具有最低恒沸点的相图。若将组成在恒沸点处的体系蒸馏时气相组成和液相组成完全一样,因此在整个蒸馏过程中沸点也恒定不变,无法通过蒸馏的方法分离两组分。恒沸点和恒沸混合物的组成还和外压有关,因此在不同外压条件下实验时所得双液系的相图也不尽相同,通常压力变化不大时恒沸点和恒沸混合物的组成的变化也不大,在未注明压力时一般均指外压为
101.325kPa。
图4.1 具有最低恒沸点体系相图示意图
本实验采用回流冷凝法测定环己烷——乙醇溶液在不同组成时的沸点。由于液体沸腾时易发生过热现象,同时气相又易出现分馏效应,因此沸点的准确测定不易。本实验所用的沸点仪如图4.2所示,称为奥斯默沸点仪,它是一支带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶,加热用的电热丝直接浸在溶液中,这样可以减少溶液的过热现象和防止暴沸。冷凝管的底部有一个小球泡用以收集冷凝下来的气相样品,由于分馏作用会使获得的气相样品的组成与气液平衡时的气相组成发生偏差,为此须在吹制沸点仪时尽量缩短小球泡与烧瓶间的距离以减少分馏作用。
分析气液两相组成的方法有物理法和化学法。由于环己烷——乙醇的折光率相差较大,所以它们所组成的溶液的折光率随溶液成分的改变而显著变化,因此可用阿贝折光仪测定样品的组成。在一定温度下,纯物质具有一定的折射率,两种液体相互混合成液态混合物后,其折射率与其组成有关。为此可预先配制一系列组成不同的环己烷——乙醇溶液,然后测定其相应的折光率将折光率与组成列成表待查。注意体系的折光率与温度有关,故测定未知样品的折光率与测定工作曲线的折光率应在同一温度下进行。
1
图4.2 奥斯默沸点仪示意图
1–长颈圆底烧瓶;2–电热丝;3–测量温度计;4–玻璃管;5–取样口;6–环境温度计;7–冷凝管
三.仪器和试剂
奥斯默沸点仪1套,阿贝折光仪1台,超级恒温槽1台,0.5KV调压变压器1台,精密温度计(1/10℃)1支,酒精温度计(1℃)1支,20mL刻度移液管2支,滴管2支,洗耳球1只。环己烷(分析纯),无水乙醇(分析纯)
四.实验步骤
1.安装沸点仪
将干燥的沸点仪如图安装好,检查带有温度计的软木塞是否塞紧,加热用的电热丝要靠近烧瓶底部,温度计水银球的位置要在支管之下并至少高于电热丝1cm。这样测得的温度比较能代表气液两相的平衡温度。
2.测定沸点
取20mL环己烷,从磨口塞处注入沸点仪中,溶液液面在水银球的中部,打开冷凝水,用万用表检查电路回路是否短路,接通电源,调节变压器电压为15V,使液体微微加热,液体沸腾后观察蒸气在冷凝管中回流的高度不宜太高,以2cm较合适,这可通过调节电压和冷凝水的流量来控制。保持液体以恒定速率沸腾直到精密温度计读数稳定为止。记下此刻温度和普通温度计的读数,由此可计算环己烷的沸点。
3.取样分析
切断电源停止加热,用一支较长的清洁干燥的滴管自冷凝管口伸入小球泡中,取出冷凝液测其折光率。用另一支清洁干燥的滴管自磨口塞处插入烧瓶溶液中吸取冷凝液测其折光率。每次取样后滴管要用洗耳球吹干(注意磨口塞在取样及加入溶液后要立即盖好防止溶液蒸发损失,测定折光率时应迅速防止液体样品挥发)。测定折光率后,将棱镜用洗耳球吹干以备下次测定用。
在20mL环己烷中依次加0.5、1、2、5、5和10mL无水乙醇,按上述方法记录各溶液的沸腾温度及气液两相的折光率。上述实验结束后把沸点仪中的溶液倒入废液回收瓶中,用洗耳球把圆底烧瓶及电热丝吹干再安装好装置。注入20mL乙醇测其沸点后依次加入1、2和5mL环己烷,同样按上述步骤测定各溶液的沸腾温度及气液两相的折光率。
五.数据记录与处理
1.实验数据记录
2
室温: 大气压:
混合液体积组成 环己烷/mL
乙醇/mL
t测/℃ t环/℃
t/℃
T0/K
气相冷凝液分析 折光率
x环己烷 液相分析 折光率
x环己烷
2.温度计露茎校正
本实验用实验温度计分度为1/10℃,它是全浸式温度计,全浸式温度计局浸式使用时必须对温度计进行露茎校正
Δt露=
0.00016n
t测-t环) (4.1) (°C
式(4.1)中Δt露为露茎校正值,t测为实验观测到的精密温度计读数,t环为辅助温度计读数,n为精密温度计露出的汞柱高度,以温度差表示。
t=t测+Δt露 (4.2)
3.大气压读数校正
本实验要求对大气压读数进行温度校正
Δp校=
(β?α)t室
1+βt
p读 (4.3)
式中β为汞的体积膨胀系数=0.0001815/°C,α为黄铜标尺的线膨胀系数=0.0000184/°C,t室为室温,故
p大气压
4.沸点校正
?(β?α)t室?
=p读?Δp校=p读?1?? (4.4)
t+1β室??
由于实验大气压不一定就是101.325kPa,因此要将p=p大气压下的沸点T校正到
p0=101.325kPa下的正常沸点T0。用克劳修斯—克拉贝龙方程进行校正
ln
pΔvapHm?11?
=??? p0R?T0T?
3
用楚顿规则ΔvapHm
T0≈88J?K?1?mol?1代入上式,并引入当x很小时ln(1?x)≈?x进行近似,得
RT(p0?p) T0?T=88J?mol?1?K?1p0
当沸点相差不是太大时与实验沸点T用正常沸点T0代替,有
ΔT=T0?T=RT0(p0?p) (4.5) ?1?188J?K?molp0
T0=ΔT+T
通常用环己烷的实验数据进行正常沸点校正,其他数据统一按上式计算值修正。
5.作环己烷—乙醇的沸点组成图,并由图找出其恒沸点温度及恒沸点组成。
六.思考题
1 用温度计直接插入沸腾的溶液中测沸点是否可以?为什么?
2 温度计水银球应放在哪个部位比较合适?
3 实验后估计一下哪些因素是主要误差来源?
备注:本实验未作温度计的零点校正,即示值校正。
(4.6) 4
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