二组分气-液平衡相图的测定

二组分气-液平衡相图的测定

相图系指系统的相平衡状态图。相图用图解的方法研究系统的相平衡行为，是相平衡热力学研究的重要手段之一。相律只能给出系统的独立组分数、平衡共存相数和自由度数，而相图可以给出更加详尽得多的信息。利用相图提供的信息，化学工程师可以进行工程（如精馏塔）设计及工艺操作（如利用盐-水系统相图进行盐类的精制）；可以进行精馏分离或制备具有精确组成的标准样品（如恒沸蒸馏混合物）；可以利用区域熔炼技术把金属提纯到极高的纯度，也可以把有机混合物或高分子混合物按照相对分子质量进行重新排布；利用二组分气-液平衡实验数据，结合实际溶液知识，可以测量实际溶液中溶剂或溶质的活度及活度因子。合金相图是合金冶炼、金属热处理和表面处理的理论依据。利用相图还可以估算纯组分的相变焓。

实验目的

1．了解蒸馏法绘制具有恒沸点的二组分气-液平衡相图的原理与方法；

2．了解阿贝折光仪的工作原理及样品折光指数的测量方法；

3．用蒸馏法绘制无水乙醇-环己烷二组分气-液平衡相图。

实验原理

由于系统性质的千差万别，系统的相图也各不相同。大部分相图都靠实验测定。目前，实验上测定相图的方法主要有三种：1、冷却曲线法（又称热分析法），此法一般用于具有较高相变温度的系统（如金属和合金相图）。2、溶解度法，此法一般用于部分互溶凝聚系统（如苯胺和水的相图）。3、蒸馏法，此法一般用于气-液平衡系统（如乙醇-苯相图）。对于气-液平衡系统，按照蒸馏条件的不同，可分为蒸气压~组成图，即p~x图（恒温蒸馏）和沸点~组成图，即t~x图（恒压蒸馏）。本实验测定常压下乙醇-环己烷的沸点~组成图，即t~x图。因此，本实验的技术关键是如何正确测量所给系统的相平衡温度（沸点）和相平衡组成（气相组成，液相组成）。

仪器和药品

平衡蒸馏仪一套（见图3-15）；

阿贝折光仪（附带超级恒温水浴）；

自偶调压器一台；放大镜一只；

量筒、移液管、滴管等；环己烷

（A·R）；无水乙醇（A·R）。

实验步骤

1．乙醇~环己烷液体混合物

折光指数（n）—组成（x）工作

曲线的绘制。

在一定温度下量取一定体积

图3-15 二元气-液平衡蒸馏仪示意图

1 加热电阻丝；

2 蒸馏瓶；

3 加料口即残液取样口；

4 气相冷凝液取样口；

5 冷凝管；

6 温度计

7 温度计套管；

8 干燥管

1

2

4

3

5

6

7

8

的乙醇和环己烷配制成一系列不

同组成的乙醇—环己烷液体混合

物。开动超级恒温水浴，用阿贝

折光仪分别测量各液体混合物的折光指数n。以折光指数为纵坐标，以组成为横坐标作n~x 图，即工作曲线。

2．蒸馏

（1）由加料口3向确认干燥的蒸馏瓶2中加入25mL无水乙醇，盖好加料口3和冷凝液取样口4，拔下干燥管的橡胶塞(图中未画出)，打开冷凝水（不可忘记！）。当确认调压器输出为零时插上电源插头并缓慢调节调压器的输出电压给蒸馏瓶通电加热（不要超过安全电压！也不要把电阻丝烧得通红），待蒸馏瓶内的液体稳定沸腾后约3~5分钟，记录温度后切断电源。

（2）向蒸馏瓶中加入一定体积的环己烷，接通电源进行蒸馏。等稳定沸腾3~5分钟后，先记录温度再切断电源。首先用取样管从取样口4吸取气相冷凝液，用阿贝折光仪测定其折光指数。用另一只取样管从残液取样口3吸取少许液相样品，测其折光指数。

（3）按指导教师给的参考量向蒸馏瓶中依次加入环己烷，依据（2）的方法测定温度和气、液相样品的折光指数。

（4）取出蒸馏瓶中的全部残液并吹干蒸馏瓶和量筒。向蒸馏瓶中加入一定量的环己烷，测定沸点。

（5）按指导教师给的参考量依次向蒸馏瓶中加入无水乙醇，并依据（2）的方法测定沸点和各样品的折光指数。

（6）取出蒸馏瓶中的全部残液。把所用的全部仪器整理好。

（7）从工作曲线上查出对应各折光指数的样品组成。测量实验条件下的大气压力。

数据处理

1．将测量数据记入表3-3

2。作沸点~组成图。从图中读出乙醇—环己烷二组分系统在实验大气压力下的恒沸温度和恒沸组成。

思考题

1。蒸馏瓶通电加热前为什么一定要通大气并通冷却水？蒸馏时你从冷凝管内看到的冷凝液面有何意义？

2。每次向蒸馏瓶中添加的液体体积是否需要精确计量？为什么？

3．蒸馏瓶气相冷凝液取样口处收集冷凝液的小球太大、太小都不好，为什么？每次蒸馏取样为何应该先取气相冷凝液？

4．蒸馏时，蒸馏瓶附近为什么不要有强风或冷源存在？

5。具有恒沸点的二组分气-液平衡相图，在恒沸点处气相线与液相线是重合还是相切？试用Gibbs相律分析之。