双液系相图

双液系的气液平衡相图

张泳辉，PB08206072

中国科学技术大学化学系

摘要：本实验利用一定温度下溶液折光率与其浓度的对应关系，用阿贝折射仪测量出各种

浓度的水—正丙醇双液系在达到沸点时的气相和液相组成，并且绘制双液系的平衡相图，以确定体系的最低恒沸点。

关键词：气液双相恒沸点平衡相图折光率

前言：本次实验主要是通过测量不同组成的双相系的折光率得到其相图。再通过测量不同

组成下的沸点得到双液系组成与沸点的关系。

在常温下，两液态物质混合而成的体系称为双液系。两液体若只能在一定比例范围内互相溶解，称为部分互溶双液系，若两液体能以任意比例相互溶解，则称为完全互溶双液系。这次实验的水—正丙醇就是部分互溶双液系。

液体的沸点是指液体的蒸汽压与外压相等时的温度。在一定的外压下，纯液体的沸点有确定的值。但对于双液系来说，沸点不仅与外压有关，而且还与双液系的组成有关，即与双液系中两种液体的相对含量有关。

双液系在蒸馏时具有另一个特点是：在一般情况下，双液系的气相组成和液相组成并不相同。因此原则上有可能用反复蒸馏的方法，使双液系中的两液体互相分离。

本实验两相中的成分分析均采用折射率法，通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的浓度与组成，从而画出体系的相图，找出最低恒沸点。

实验部分：

1、实验装置：

调压变压器型号：ZBK 42004-87 额定电压：220V

额定容量：1KVA 单相50Hz

数字阿贝折射仪物理光学有限公司型号：WAY-2S 申光

超级恒温器上海实验仪器厂出厂日期：2001年9月

最高使用温度：95℃电压：220V

频率：50Hz 功率：15KW

2、实验方法

①调节恒温槽温度并使其稳定，使阿贝折射仪上的温度稳定在30℃±0.2℃。

②安装沸点仪：将烘干的沸点仪安装好，注意带有温度计和加热丝的橡皮塞要塞紧，不要触及烧瓶底部，温度计和加热丝之间要有一定的距离，装上辅助温度计G。操作时要小心，防止打破水银温度计。

③测正丙醇的沸点：用50mL的移液管从支管L中加入正丙醇溶液50mL，注意观察电加热丝是否全部浸没在溶液中，水银温度计的水银球是否一半在溶液中，一半在蒸汽中。否则应调整好。夹上电热丝夹，打开冷却水，插上电源，调节变压器电压由零慢慢增加，观察加热丝上是否有小气泡逸出，电压控制在20V以内，溶液会慢慢沸腾。体系中的蒸汽经冷凝管冷凝后，聚于小球D中。冷凝液不断地冲刷D球，必要时可将D球中的冷凝液倾入烧瓶中，观察B温度计上的读数达到稳定，此时体系处于平衡状态，调整G温度计到正确位置；再稳定5－7分钟，准确记下温度计上t观和t环。并记下橡皮塞处温度计的读数。切断电源。

④取样并测定组成（折光率）：用干燥的滴定管自冷凝管中取出小球D内的全部气相冷凝液，用另一支干燥吸管从L口中取液相液1mL左右，分别放入带有磨口的小试管中，并将试管置于一盛有冷水的小烧瓶中让其冷却，防止挥发。

观察阿贝折射仪上的温度是否正确，用擦镜纸擦拭镜面。把待测的气相液，液相液分别滴于镜面上迅速测量。每个样品测量2－3次，取读数的平均值。

用10mL移液管移取H2O 0.5 mL，从支管L加入烧瓶中，以改变溶液的总组成，按步骤3－4测量新体系中的液相、气相的折光率和平衡时的t观和t环。

依次向烧瓶中加入1，1.5，2，2.5，4，6mL的水，仍按步骤3－4逐一进行测量，分别得到不同组成时的汽相、液相的折光率及各自的沸点。

把该混合液置于试剂瓶中，用蒸馏水反复洗涤烧瓶；并用20mL的移液管加入40mL蒸馏水，按以上方法测量水的折光率和沸点，并逐一加入0.5，1，1.5，2，4，10，20mL的正丙醇，改变体系的总组成，测量气液平衡时各个样品的折光率和沸点。

由以上测得的各点气相、液相样品的折光率，从工作曲线上查找出其对应的组成。

数据处理与分析：

一、实验条件

实验前：t=24.10o C, p=760.15mmHg

实验后: t=14.30o C, p=769.40mmHg

二、实验数据处理

1、实验数据：

向40ml蒸馏水逐渐加入正丙醇由本人完成，所得实验数据如下：

30℃ 时工作曲线如下:

1.33

1.34

1.35

1.36

1.37

1.38

将实验所得的样品折光率对照上图，可得各个样品的成分。

沸点温度校正：

∆t 露/℃=1.6⨯10-4·n ·(t 观-t 环)

760

)

/760(10)/15.273(/mmHg P C t C t -⋅

︒+=

︒∆

t 沸=t 观+∆t 压+∆t 露

处理上述两表中数据，可得：

结果与讨论

实验所得正丙醇—水双液系的相图

该体系的最低恒沸点应在87℃左右，正丙醇含量在69～71%之间。而本次实验所得的结果为：水—正丙醇体系的最低恒沸点为87.90℃，此时正丙醇的含量为70.80%，在允许误差范围之内。

讨论

在实验过程中，可观察到由正丙醇—纯水体系汽相、液相的折光率将向着降低或升高的方向移动，起初气液两相折光率的读数相差较小，相差慢慢增加，又慢慢减小，直至相等。表示此时已达到最低恒沸点组成，此组成为最低恒沸点混合物。虽然此次实验的结果与理论值相差不大，但是我们依然要看到实验中可能存在着的相当大的误差：

1．正丙醇－水双液相图实验工作曲线数是由老师提供的，与当时实验的真正的工作曲线还是有差别的。

2．露茎校正需要读取环境温度，但是在实验过程中，环境温度很不稳定，数据在短时间内经常产生较大幅度的变化，给读数造成了一定影响。

3．在测沸点的实验过程中，所取出的溶液由于温度较高更容易挥发，实验过程中又无法阻止，这样所得结果更会偏离实际值。在用阿贝折射仪测量测量时，可能会使所测得液体组成发生变化。

4．在实验过程中，折光仪的恒温水的温度不是很稳定，但是在误差允许的范围内（±0.2℃），温度的变化对结果的影响不大。

5．由于本实验数据是由两个同学各自测得，其中实验条件、具体操作、使用的仪器（尤其是温度计）的系统误差都略有不同，但是整个相图还是能够反映此双液系的性质，如不同浓度溶液的沸点变化，在沸点下气液相的组成变化，以及由此平衡相图可以较为准确的读出最低恒沸点的沸点值及恒沸点混合物的组成，等等。

本次实验时间较长，步骤也比较繁琐，因此可以适当安排实验步骤来缩短实验时间。比如一边测量折光率一边等待双液系沸腾。取样、读数时一定要等稳定时再读数，以保证所测得的温度与成分最大限度地接近真实值。

参考资料：

《物理化学实验》崔献英等编著中国科学技术大学出版社（2000年）

《物理化学》傅献彩等编高等教育出版社（1990年10月）