异丙醇环己烷双液系相图

实验 异丙醇—环己烷双液系相图

一、实验目的

1.了解物理化学实验手段中常用的物理方法——光学方法的基本原理。

2. 绘制异丙醇－环己烷双液系的沸点－组成图，确定其恒沸物组成及恒沸温度。

3. 进一步理解分馏原理。

4. 掌握阿贝折射计的原理及使用方法。

二、实验背景

根据相律绘制相图，通过相图的分析加深对所研究体系的认识，是热力学方法研究多相平衡体系的重要内容之一。相平衡是物理化学的重要教学内容，其中气液平衡是最常见，也是讨论最多的内容之一。各体系相图的绘制为生产和科研实践中对某些液体混合物的分离、提纯与精制、蒸馏、精馏等具有一定的指导意义。

完全互溶双液系的T-x图，按曲线的特征，体系可以分为三大类，理想体系，正偏差体系和负偏差体系。其中，当偏差足够大时，会出现极大点和极小点，分别对应最大负偏差和最大正偏差，对应的极值点称为恒沸点，所对应的溶液称为恒沸混合物。考虑综合因素，一般实验都选择具有最低恒沸点的异丙醇—环己烷或乙醇—环己烷体系，本实验选异丙醇—环己烷体系。

根据相平衡原理，对二组分体系，当压力恒定时，当气液两相平衡时，体系的自由度为1。当体系的温度确定时，气液两相的组成也确定。反过来，当气液两相的组成确定时，体系的平衡温度也确定。沸点仪就是根据这个原理设计的。本实验中气液相的组成通过测定对应样品的折射率来确定，因而两组分的折射率相差越大越好，同时为了避免组分因挥发而造成测量误差，还要求两组分的饱和蒸汽压相差越小越好。

目前实验教学中最常用的沸点仪如图8-2所示，结构简单，容易操作，但达到平衡时间较长。另外一类型测定装置叫平衡釜，有陆志虞平衡釜、爱立斯平衡釜、罗斯平衡釜等，平衡釜结构比较复杂。还有一种多功能沸点测定仪，具有沸点测定仪和平衡釜的双重功能，测定范围较广，除常规的气液平衡数据的测定外，还可用于含盐体系和部分互溶体系气液平衡的测定。

三、实验原理

在常温下，任意两种液体混合组成的体系称为双液体系。若两液体能按任意比例相互溶解，则称完全互溶双液体系；若只能部分互溶，则称部分互溶双液体系。

液体的沸点是指液体的饱和蒸汽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的值。但对于完全互溶的双液系，沸点不仅与外压有关，而且还与双液系的组成有关。

完全互溶双液系的沸点—组成图有三种类型（见图8-1），如果液体与拉乌尔定律的偏差不大，在T-x图上溶液的沸点介于A、B二纯液体的沸点之间见图8-1 (a)，而实际溶液由于A、B二组分的相互影响，常与拉乌尔定律有较大偏差，在T-x图上就会有最低或最高点出现，这些点称为恒沸点，其相应的溶液称为恒沸点混合物，如图8-1(b),8-1（c)所示。

图8-1中，横坐标表示组分B 的物质量分数或其他浓度量纲，纵坐标表示温度。图形下方的曲线l 为液相线，表示体系沸点与液相组成的关系；上方曲线g 为气相线，表示平衡温度与气相组成的关系。总组成为x C 的体系在恒定压力和温度T 时沸腾，气液两相达到平衡，对应气相组成和液相组成分别为y B 和x B 。在图8-1(b),8-1（c)中，极值点处气相组成与液相组成相同，对应的温度为恒沸点，对应组成的混合物为恒沸混合物。

第一类型双液系可用简单的蒸馏方法使二组分分离，第二、三类型双液系通过蒸馏只能得到一种纯组分和恒沸混合物。外界压力不同，恒沸点温度和恒沸物组成也不相同。

测定沸点—组成图时要求同时测定溶液的沸点及气液两相的组成。本实验是用回流冷凝法测定异丙醇—环已烷体系的沸点—组成图。其方法是用阿贝折射仪测定不同组成的体系在沸点温度时气、液相的折射率，再从折射率—组成工作曲线上查得相应的组成，然后绘制沸点—组成图。实验所用沸点仪如图8-2所示。

沸点仪主体是一只带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶，冷凝管底部有球形小室5，用以收集冷凝的气相分馏液，从分馏液取样口4吸取气相样品，从加液口2吸取液相样品，3为电加热丝，直接浸在溶液中加热溶液，可减少过热和防止暴沸。温度计1水银球要求一半浸在液面下，一半露在空气中。

溶液的组成用折射率法分析。溶液的折射率（n ）与组成有关。先测定一系列已知浓度溶液的折射率，作出一定温度下该溶液的工作曲线（折射率—组成曲线）。实验中测定平衡液相和气相冷凝液的折射率，在曲线上进行插值可求得组成。物质的折射率与温度有关，因此测定时应将温度控制在±0.2℃范围内。

四、实验仪器及试剂

沸点测定仪 1套；阿贝折射计 1套； 移液管（1mL ） 1支；移液管（10mL ）1支； 移液管（25mL ）1支；吸液管 2支； 调压变压器（1kV A ） 1台； 温度计（50－100℃，1/10） 1支； 异丙醇（AR ）；环已烷（AR ）。

五、实验步骤

1．己知浓度溶液折射率的测定

取异丙醇和环已烷以及环己烷摩尔分数分别0.2、

图8-2 沸点仪

1-温度计；2-加液口；3-电热丝；

4-分馏液取样口；5-球形小室

图8-1 完全互溶双液系的相图

0.4、0.6、0.8四种组成的溶液，在25℃下，逐次用阿贝折射计测定其折射率。绘制折射率－组成的关系曲线。

2．溶液沸点及气、液相组成的测定

（1）取25mL异丙醇置于沸点测定仪之蒸馏瓶内。按图8-2连接好装置，打开回流冷却水，通电并调节变压器使液体加热至沸腾，回流并观察温度计的变化，待温度恒定，记下沸腾温度。然后，将调压变压器调至零处，停止加热。充分冷却后，用吸液管分别从冷凝管上端的分馏液取样口及加液口取样，用阿贝折射计分别测定气相冷凝液和液相的折射率。按上述操作步骤分别测定加入环己烷为1mL、2mL、3mL、4mL、5mL、10mL时各液体的沸点及气相冷凝液和液相折射率。

（2）将蒸馏瓶内的溶液倒入回收瓶中，并用环己烷清洗蒸馏瓶。然后取25mL环己烷注入蒸馏瓶内，按（1）的操作步骤进行。以后分别加入异丙醇0.2mL、0.3mL、0.5mL、1mL、4mL、5mL，测定其沸点及气相冷凝液和液相折射率。

3. 数据记录

室温：℃；大气压：kPa

（1）将实验中测得的折射率—组成数据列表（见表8-1）。

表8-1 标准溶液的折光率

序号 1 2 3 4 5 6

x(环己烷)

实测折光率n

（2）将实验中测得的沸点—折射率数据列表，并从工作曲线上查得相应的组成，从而获得沸点与组成的关系。

表8-2 沸点-组成数据表

气相冷凝液组成分析液相冷凝液组成分析编号沸腾温度/℃

折光率y(环己烷) 折光率x(环己烷) 1

2

3

4

5

6

7

8

9

六、实验指导

1. 数据处理

（1）按表8-1数据作出异丙醇-环己烷标准溶液的折射率—组成关系曲线，得工作曲线。

（2）根据工作曲线插值求出各待测溶液的气相和液相平衡组成，填入表8-2中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的沸点—组成（T-x）平衡相图。

（3）由图找出其恒沸点及恒沸组成。

2．组成不同的试样其沸腾温度是直接测量值，因而测量的准确与否将直接影响相图的质量。实验不仅需要使用精度较高的1/10温度计，而且测量前要对温度计进行校正；要对温度计的露颈部分进行校正；要将所得到的沸腾温度换算成标准状况下的温度值。