【清华】双液系的气液平衡相图

双液系的气液平衡相图
姓名：宋光学号：2006011931班级：化63
同组人姓名:茅羽佳
实验日期：2008年12月4日
提交报告日期：2008年12月11日
指导教师：尚培华
1.引言
1.1实验目的
1．用沸点仪测定在常压下环已烷—乙醇的气液平衡相图。

2．掌握阿贝折射仪的使用方法。

1.2实验原理
将两种挥发性液体混合，若该二组分的蒸气压不同，则溶液的组成与其平衡气相的组成不同。

在压力保持一定，二组分系统气液达到平衡时，表示液态混合物的沸点与平衡时组成关系的相图，称为沸点和组成(T-x)图。

沸点和组成(T-x)的关系有下列三种：(1)理想液体混合物或接近理想液体混合物的双液系，其液体混合物的沸点介于两纯物质沸点之间见图5—1(a)；(2)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的负偏差，其溶液有最高恒沸点见图5—1(b)；
(3)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的正偏差，其溶液有最低恒沸点见图5—1(c)。

第(2)、(3)两类溶液在最高或最低恒沸点时的气液两相组成相同，加热蒸发的结果只使气相总量增加，气液相组成及溶液沸点保持不变，这时的温度称恒沸点，相应的组成称恒沸组成。

第一类混合物可用一般精馏法分离出这两种纯物质，第(2)、(3)类混合物用一般精馏方法只能分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。

图1 沸点组成图
为了测定二元液系的T-x图，需在气液达到平衡后，同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。

本实验是测定具有最低恒沸点的环己烷—乙醇双液系的T-x图。

方法是用沸点仪(图2)直接测定一系列不同组成之溶液的气液平衡温度(即沸点)，并收集少量馏出液(即气相冷凝液)及吸取少量溶液(即液相)，分别用阿贝折射仅测定其折射率。

为了求出相应的组成，必须先测定已知组成的溶液的折射率，作出折射率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折射率的组成。

沸点仪的种类很多，图5—2所示是一种带有电阻丝加热的沸点仪。

沸腾的溶液由喷嘴喷向温度计，因此可以测得蒸气与液相平衡的温度。

气相经冷凝后贮存在小泡内。

图2 沸点仪
2.实验操作
2.1实验药品、仪器型号及测试装置示意图
2.1.1实验药品：
环己烷、无水乙醇（分析纯）、各种浓度的环己烷－乙醇混合溶液
2.1.2实验仪器
沸点仪、调压器、阿贝折射仪（上海生产的WZS-I，编号：990244）、温度计、酒精温度计、滴管
2.2实验条件
室温T=17 o C
2.3实验操作步骤及方法要点
1、测定溶液的折射率
用阿贝折射仪测定环己烷、无水乙醇以及由环已烷—乙醇组成的标准溶液的折射率，作折射率对组成的工作曲线。

实验室提供的标准溶液浓度有（环己烷含量）0 %，13.5%，28.5%，48.6%，69.2%，83.6%和100%。

用阿贝折射仪测得标准溶液折射率。

2、检查待测样品的浓度
实验室准备了各种浓度的测定装置。

观察标签上标明的溶液大概浓度。

如果沸点仪内溶液太少，要补充相应的溶液。

要注意不要加错，而且不能使液面太高。

3、测定液相和气相组成
分别测定环己烷质量百分数为10％、30％、69.5％、90％、96％、100％和0%的环已烷—乙醇溶液在沸点下的气相和液相的组成。

接通电源，通冷却水，加热溶液至沸腾。

要注意加热电阻丝的电压不得超过40V。

适当调节加热电压。

电压不能太大，防止喷嘴喷出的液体直接进入冷凝管中，影响气相组成的测定。

待温度计上所指示的温度保持恒定后，读下该温度值，并立即在小泡中取气相冷凝液，迅速测定其折射率，同时停止加热，冷却液相，然后用滴管将溶液搅均后取少量液相测定其折射率。

（注意：每次使用折射仪，要将折射仪的棱镜吹干。

整个实验过程中最好使用同一台折射仪。

）
4、绘图
由实验数据(温度可先不校正)绘制沸点—组成草图，根据图形决定补测若干点的数据。

3.结果与讨论
3.1原始实验数据及计算结果
3.1.1将环己烷—乙醇标准溶液组成与对应的折射率列出表格，并做组成—折射率工作曲线。

表1 环己烷-
乙醇标准溶液与对应折射率
环己烷质量分数（/%）
折射率 0 1.3629 13.5 1.3658 28.5 1.3742 48.6 1.3821 69.2 1.4020 100
1.4275
图1.环己烷质量分数与折射率关系的工作曲线
3.1.2将气液两相平衡时的沸点（t ）、器外度数（n ）、辅助温度计读数（t s ）、校正后的沸点（t ′）以及所测得的折射率和对应的气相液相成分数据列入表格内（温度计的校正见附录仪器2）。

根据公式00()s t t Kn t t =+-，和所测得的温度数据，计算出体系的实际温度。

表2 各浓度溶液沸点与气液相折射率
环己烷的质量分数
1/10温度计露出部分读数 t （℃） 1/10温度计 示数 t 0（℃） 水银平均 温度 t s （℃）
体系实际温度 t(℃)
平衡气相折射率
平衡液相折射率
0 29.00 78.50 21.9 78.7577 1.3620 1.3620 0.3 20.20
68.07
21.0
68.2192 1.3957 1.3733
0.69514.30 65.00 21.2 65.0983 1.4039 1.4020
0.925.44 66.00 19.9 66.1841 1.4060 1.4198
131.60 81.00 21.0 81.2976 1.4268 1.4268
根据得到的工作曲线进行插值，得到不同浓度下气液两相的组成，与平衡温度一起列于表中，作为做图的数据：
表3.不同浓度溶液的气液组成及其平衡温度
环己烷质量分数
（%）
体系平衡温度
（℃）
气相组成
（环己烷%）
液相组成
（环己烷%）078.7577 -0.06014 -0.06014
0.05586
0.368.2192 0.2700 0.6558
0.69565.0983 0.6920 0.7063
0.966.1841 0.8931 0.7248
68.2027
181.2976 0.9905 0.9905 3.1.3．作环己烷—乙醇体系的沸点—组成图，并求出最低恒沸点及相应的恒沸混合物的组成。

图2.环己烷-乙醇体系气液平衡相图
根据相图得出环己烷-乙醇体系共沸温度为65.1℃，共沸组成70.6%。

3.2讨论分析
平衡线上出现了浓度小于零的点，分析原因：
（1）测定工作曲线和气液平衡时溶液温度不同，溶液的折射率随温度的升高而减小。

但是阿贝折射仪连有恒温水，工作温度应该维持恒定不变，所以测量所得的误差并不是由温度引
起的。

（2）所测溶液被污染导致数据不准。

从工作线变化趋势可以看出，随着溶液中环己烷浓度的增大，溶液折射率增大。

根据这一规律，由于工作曲线所得折射率较小，可以判断如果溶液被污染，应该是测工作曲线时所用的纯环己烷浓度小于1导致，可能是由于取液滴管被含乙醇的溶液污染。

（3）实验者本人的操作和读数错误。

由于在操作过程中使用的是同一台阿贝折射仪，而且在发现问题后对平衡气液以及纯环己烷都进行了两次重新测量，并保证每一次均吹干折射仪上残留的余液，但发现问题并没有消除，因此综合以上两点，判断问题是由于在测量过程中污染了测工作曲线所用的纯环己烷所致。

4.结论
环己烷-乙醇体系具有最低恒沸点，其恒沸组成为环己烷质量分数70.6%，恒沸温度为65.1℃。

而文献值所记录的恒沸点时环己烷质量分数为70%，恒沸温度64.6℃（101.325kPa 条件下)，可知此次实验所测得数据较为准确。

5.参考文献
《物理化学实验》清华大学出版社清华大学化学系物理化学实验室编
《物理化学》清华大学出版社朱文涛主编
6.附录
6.1思考题
1 使用阿贝折射仪时要注意些什么问题？如何正确使用才能测准数据？
（1）阿贝折射仪应该在恒温条件下使用，实验室中用恒温水保证温度，其温度可由左侧仪器自带的温度计读出。

（2）所测溶液应当足量以润湿全部棱镜。

当溶液量太少时，明暗分界线将变得模糊而难以辨认。

但滴管头部不可以碰到棱镜的镜面部分以防损坏仪器。

而且每次使用后需用洗耳球吹干棱镜表面残留液体以免干扰下次实验。

（3）在转动手轮读数时，应使明暗分界线每次都从同一方向靠近叉丝的交点。

原因在于改换手轮转动方向会引入空程使读数不准确。

2 收集气相冷凝液的小泡D的体积太大，对测量有何影响？
若小泡的体积过大，在加热过程中的各种不同温度时产生的蒸汽都将进入小泡冷凝，最后在沸点时取得的气相组成不是与液相平衡的组成，而是沸点以下温度液相组成的混合值。

取此种液体测量必将发生较大的错误。

3 平衡时，气液两相温度应该不应该一样？实际是否一样？怎样防止温度的差异？
平衡时，气液两相的温度应该一样。

实际并不一样。

沸点仪的温度计所测温度仅仅是液相进口处的温度，实际由于沸点仪外没有保温装置，液相在冲淋了水银球后下降的过程中还会损失一部分热量，气相也可能因为无法迅速冷凝而造成与液相不平衡。

4 沸腾之后，如何控制条件使温度稳定？
当沸腾之后，需要调低加热电压，并且仔细观察1/10温度计的示数，知道温度稳定2min 左右，以肉眼观察不到水银柱的高度变化时即可判断体系已经达到沸点，此时即可迅速测量气相组成。