13实验五二元液体溶液的气液平衡相图

实验五 二元液态混合物的气-液平衡相图

【目的要求】

1．实验测定并绘制环己烷-乙醇体系的沸点组成（T -x ）图，确定其恒沸点及恒沸混合物的组成。

2．了解测量折光率的原理，掌握阿贝折光仪的使用方法。

【实验原理】

两种液体能在任意浓度范围内完全相溶的体系称完全互溶的双液体系。根据相律：

f =K Φ+2

式中：f 为体系的自由度；K 为体系中的组分数；Φ为体系中的相数；2是指压力和温度两个变量。对于定压下的二组分液态混合物，相律可表示为：f =3-Φ。在大气压力下，液体的蒸气压和外压相等时，平衡温度即为沸点。对于完全互溶的双液体系，当气液两相平衡时Φ=2，f =1。完全互溶的双液体系在定压下并没有固定的沸点，为一沸程，并且是和溶液的组成有关的，即T 是x 的函数。

完全互溶的双液体系，由于两种液体的蒸气压不同，溶液上方的气相组成和液相组成是不相同的，测定溶液的沸点和溶液在沸点时的气相和液相的组成，可绘制出溶液的气-液平衡相图，即溶液的沸点与组成关系图，T -x -y 图。完全互溶的双液体系，T -x -y 图可分三类：如图5-1所示。

图5-1(1)是理想液态混合物和偏离拉乌尔定律较小的体系的T -x -y 相图；图5-1(2)是对拉乌尔定律有较大正偏差的体系；图5-1(3)是对拉乌尔定律有较大负偏差的体系。在图5-1(2)和图5-1(3)中，由于偏离拉乌尔定律较大以致在T -x -y 图上分别出现了最低点和最高点，在最低点和最高点上，液态混合物的气相组成和液相组成相同，这种组成的液态混合物称为恒沸混合物，在最高点和最低点上时液态混合物的沸点称为恒沸点。

将一定组成的环已烷-乙醇混合物在特制的蒸馏器中进行蒸馏。当温度保持不变时，即表示气、液两相己达平衡，记下沸点温度，并测定沸点时气相（冷凝液）和液相的组成，即可得到一组T -x -y 数据。将不同组成的混合物的T -x -y 数据绘在图中，分别将液相点和气相点连接成平滑的曲线，就得到一张定压下环已烷-乙醇体系的T -x -y 相图。

液态混合物组成的分析可以用间接的物理方法。因为环已烷和乙醇的折光率相差较大，且折光率法所需样品量少，准确，快速，对本实验较适用。折光率是物质的一种特性常数，液态混合物的折光率与组成有关，因此测定一系列已知浓度的环已烷-乙醇混合物的折光率，作出在一定温度下该混合物的折光率-组成标准曲线。测定未知液的折光率，由折光率Fig.5-1 二组分完全互溶双液体系的T -x -y 相图 (1)理想或近似理想的体系 (2)有最低恒沸点的体系 (3)有最高恒沸点的体系 Fig.5-1 Phase diagram for mixture of binary liquid (1)Ideal mixture (2)With minimum aezotropic point (3) With maximum aezotropic 液相Liquid 气相Gas T B x B (y B )

(3)

M A B 液相Liquid

气相Gas T A T B x B (y B ) T (1) A B 液相Liquid 气相Gas T A T B

x B (y B ) (2) M A B T A

图5-2 沸点仪示意图 1.温度计；2.接加热器；3.加液口；4.电热丝连接点；5.电热丝；6.分馏液；7.分馏液取样口 Fig.5-2 The sketch of ebulliometer 1.thermometer;2. connection pole;3. inlet orifice; 4. connection point of heater with wire;5.heater; 6. fractional liquid;7. sampling orifice

对浓度的关系曲线，按内插法就可获得该未知混合物的组成，或拟合折光率和浓度关系方程式，然后将测得的折光率代入方程中求得未知混合物的浓度。

【仪器药品】

特制的蒸馏器1套；50~100℃

1/10水银温度计1支；加热设备

（26#镍铬丝14cm ，恒流加热电源）

1套；阿贝折光仪1台；长吸管2

支，短吸管2支。

环已烷-乙醇标准混合液一组：

100%、90%、80%、70%、60%、

50%、40%、30%、20%、10％、0%

（环己烷的重量百分数，准确到

0.5%）。

环已烷-乙醇混合物一组：含环

已烷约10%、20%、40%、50%、

60%、70%、80%、、90%、98%、

纯环已烷、纯乙醇。

【实验内容】

1．按附录要求使用阿贝折光

仪，测定环己烷-乙醇标准混合物的

折射率。

2．熟悉蒸馏器的结构。本实

验使用专用的蒸馏器，仪器装置如

图5-2所示。

3．于干洁的蒸馏瓶内加入约

占2/3体积含98％环已烷的环已烷

-乙醇混合液样品，使电热丝以及电

热丝的连结点完全浸入液体内。温

度计汞球的一半浸入液体中，在汞球处套一短玻管，汞球不要触及电热丝。将加热器和恒流加热电源接通。

4．接通冷凝器中的冷却水，调整恒流加热电源的功率旋钮，至电热丝上能看到少量气泡，加热使液体缓缓沸腾并回流，此时温度计的读数保持恒定。

5．冷凝管中的大部分液体都会流入蒸馏瓶中,只有少量的会留在冷凝管下端袋状部中(如图5-2中6所示)，这部分液体代表的是气相组成。最初的冷凝液并不能代表气相的组成，需将其倾回蒸馏瓶中2~3次，待温度达到恒定后，记下沸点并停止加热。随即用一支长的吸管从冷凝器上部（如图5-2中7所示）插入袋状部分吸出冷凝液（代表气相组成），迅速测定其折射率。用短吸管从蒸馏瓶侧口（如图5-2中3所示）吸出少许溶液（代表液相组成），迅速测定其折射率。