二组分完全互溶双液系气-液平衡相图

课程名称：大学化学实验（P）指导老师：成绩：_______________
实验名称：二组分完全互溶双液系气-液平衡相图实验类型：物性测试同组学生姓名：
【实验目的】
1.学习测定气-液平衡数据及绘制二组分系统相图的方法，加深理解相律和相图等概念。

2.掌握正确测量纯液体和液体混合物沸点的方法。

3.熟悉阿贝折光仪的原理及操作，熟练掌握超级恒温超的使用和液体折射率的测定。

4.了解运用物理化学性质确定混合物组成的方法。

【实验原理】
两种液态物质若能以任意比例混合，则称为二组分完全互溶液态混合物系统。

当纯液体或液态混合物的蒸气压与外压相等时就会沸腾，此时的温度就是沸点。

在一定外压下，纯液体的沸点有确定值，通常说的液体沸点指101.3kPa下的沸点。

对于完全互溶的混合物系统，沸点不仅与外压有关，还与系统的组成有关。

在一定压力下，二组分完全互溶液态混合物系统的沸点与组成的关系可分为三类：（1）液态混合物的沸点介于两纯组分的沸点之间，如苯-甲苯系统；（2）液态混合物有沸点极大值，如丙酮-氯仿系统；（3）液态混合物有沸点极小值，如水-乙醇系统、苯-乙醇系统。

对于第（1）类，在系统处于沸点时，气液两相的组成不相同，可以通过精馏使系统的两个组分完全分离。

第（2）、（3）类是由实际系统与拉乌尔定律产生严重偏差导致。

正偏差很大的系统，如第（3）类，在T-x图上呈现极小值，负偏差很大时，如第（2）类，则会出现极大值。

相图中出现极致的那一点，称为恒沸点，恒沸点温度和组成都是非常重要的平衡数据。

具有恒沸点组成的二组分混合物，在蒸馏时的气相组成和液相组成完全一样，整个蒸馏过程中沸点恒定不变，因此称为恒沸混合物，如要获得两纯组分，则需采取其他方法。

液态混合物组成的分析是相平衡实验的关键。

组分分析常采用折射率法、密度法等物理方法和色谱分析法等。

本实验采用折射率法。

在一定温度下的折射率是物质的一个特征参数，液态混合物的折射率与组成有关，一般呈简单的函数关系。

因此，测定一系列已知浓度的液态混合物在某一温度下的折射率，作出该液态混合物的折射率-组成工作曲线，根据未知液态混合物的折射率值，可按内插法得到这种未知液态混合物的组成。

折射率是温度的函数，测定时必须严格控制温度。

本实验采用配置超级恒温槽的阿贝折光仪来测量平衡气、液相的组成。

【试剂与仪器】
仪器沸点仪、阿贝折光仪、超级恒温槽、电子天平各1台；调压变压器1只；温度计（50~100℃，1/10℃）1支；普通温度计（1~100℃）1支；250mL烧杯1只；针筒2只；电吹风1只；滴管若干只；
擦镜纸。

试剂环己烷（AR）；无水乙醇（AR）。

【实验步骤】
1.制作环己烷-乙醇液态混合物的折射率-组成工作曲线（实验室完成）。

2.安装沸点仪：将干燥的沸点仪安装好，检查带有温度计的软木塞是否塞紧及温度计的位置。

加热用
的电热丝要靠近容器底部的中心。

3.测定沸点：自液体取样口加入乙醇200~25mL，开冷却水，接通电源，缓慢加热，使沸腾时玻璃提
升管喷溢的沸腾液能不断冲在水银球上，且蒸气能在冷凝管中凝聚。

如此沸腾一段时间，使冷凝液不断淋洗小球中的液体，知道温度计读数稳定为止。

分别记录温度计和辅助温度计的读数。

4.取样分析：切断电源，停止加热，用250mL烧杯盛冷水套在沸点仪底部，冷却容器内液体，
用干燥管吸取蒸汽冷凝液和残留液，供测定折射光率用。

5.测定折射率：调节通入阿贝折光仪的超级恒温槽水温与制作工作曲线的温度一致（30.0℃），
然后分别测定蒸汽冷凝液和残留液的折射率。

每个样品要平行测定3次折射率值。

测毕后由
加料口逐次加入1mL、3mL、3mL、5mL、…环己烷，重复试验，分别测定其沸点和折射率，
至沸点几乎不再下降以及冷凝液和残留液的折射率近似相等为止，停止加入环己烷。

6.然后将沸腾夜混合物倒入回收瓶中，吹干仪器，再加入30mL环己烷。

如前操作，不过逐次
加入0.2mL、0.3mL、0.5mL、1mL、1mL、3mL、3mL、…直至沸点几乎不再下降以及冷凝
液和残留液的折射率近似相等为止。

*本次试验步骤6由同组成员完成
【数据记录与处理】
室温：27.7℃，大气压：101kPa。

1.25mL乙醇中加入环己烷实验。

温度计露茎校正（测量温度计至53.70℃以上部分露出）。

校正公式t = t1 + 0.000156 h（t1- t2 ）
t1为测量温度计读数；t2为辅助温度计读数；h为测量温度计露出部分高度（以℃表示）
h= t1 – 53.70℃；0.000156为水银相对玻璃的膨胀系数。

表1 环己烷-乙醇液态混合物的气-液平衡数据（一）
环己烷加入量/mL 混合物沸
点/℃
辅助温
度/℃
校正后沸
点/℃
气相（冷凝液）液相（残留液）
折射率组成折射率组成
0 79.94 27.4 80.16 1.3567 0 1.3564 0
1 76.40 25.0 76.58 1.368
2 0.128 1.358
3 0.015
3 73.60 24.3 73.75 1.3785 0.25
4 1.3633 0.072
3 68.90 29.0 68.99 1.3860 0.356 1.3679 0.125
5 70.60 29.5 70.71 1.3879 0.385 1.3744 0.201
5 66.15 28.9 66.22 1.3947 0.494 1.3787 0.257
7 65.30 29.0 65.37 1.3962 0.518 1.3873 0.333
7 65.00 28.9 65.06 1.3968 0.529 1.3847 0.378
7 64.80 28.8 64.86 1.3971 0.534 1.3911 0.435
5 64.75 29.0 64.81 1.3973 0.538 1.3935 0.474 3.5 64.72 29.1 64.78 1.3974 0.539 1.3949 0.497
2 64.70 29.0 64.76 1.3975 0.541 1.3968 0.529
2.30mL环己烷中加入乙醇实验。

温度计露茎校正（测量温度计至60.21℃以上部分露出）。

校正公式t = t1 + 0.000156 （t1-60.21）（t1- t2）
表2 环己烷-乙醇液态混合物的气-液平衡数据（二）
乙醇加入量
/mL 混合物沸
点/℃
辅助温度
/℃
校正后沸
点/℃
气相（冷凝液）液相（残留液）
折射率组成折射率组成
0 79.25 28.0 79.40 1.4203 1 1.4206 1
0.2 78.80 30.5 78.94 1.4190 0.972 1.4196 0.984
0.3 76.05 31.4 76.16 1.4088 0.753 1.4188 0.968
0.5 72.30 31.9 72.38 1.4054 0.685 1.4174 0.937
1 67.70 32.0 67.74 1.4005 0.593 1.4158 0.901
1 65.35 32.0 65.38 1.3993 0.57
2 1.4130 0.840
3 64.88 32.0 64.90 1.3986 0.560 1.405
4 0.685
3 64.80 31.0 64.82 1.3980 0.550 1.4020 0.621
3 64.77 30.0 64.79 1.3976 0.543 1.3989 0.565
2 64.75 30.1 64.77 1.3976 0.54
3 1.3970 0.532
3.绘制环己烷-乙醇二组分系统的沸点组成图
图1环己烷-乙醇二组分完全互溶双液系气-液平衡相图
4.根据图1的相图可以得到，环己烷-乙醇二组分系统的恒沸点约为64.76℃，
恒沸混合物的组成为环己烷摩尔分数0.540。

5.文献理论值：恒沸温度为64.90℃，恒沸组成为0.550
组成偏差为0.01,
恒沸温度相对误差为| 64.90 – 64.76 | / 64.90 = 0.2%
【分析与讨论】
1.误差分析
实验得到的环己烷-乙醇二组分完全互溶双液系气-液平衡相图基本符合我们的实验结果，恒沸温度与
恒沸组成的偏差很小，可能产生误差的原因有：
（1）溶液沸点与外界压强有关，实验测量气压并非标准气压，实验室气压也未进行校正，所以得到的实验结果会存在较小偏差。

（2）测量样品折射率过程中，低沸点样品可能有挥发，影响组成判断。

（3）使用阿贝折光仪读数时，存在视差对折射率造成影响。

（4）取样工具未完全干燥，残余试剂会影响样品组成。

2.实验中需要注意的问题分析
（1）测定折光率时，动作要迅速，以避免样品中易挥发组分损失，确保数据准确。

（2）电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热，否则电热丝易烧断，还可能会引起有机物燃烧，所以电压不能过大（小于50V），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，及时冷却。

（4）每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。

（5）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。