1、雙液系的氣液平衡相圖實(shí)驗(yàn)者：林澄昱生042010030007同組者：張彎彎實(shí)驗(yàn)日期：2012-03-10提交日期：2012-03-16實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：劉曉惠1引言兩種蒸氣壓不同的揮發(fā)性液體在混合之后，其溶液組成與與其平衡氣相的組成不同在恒外壓下，二組分系統(tǒng)達(dá)到氣液平衡時(shí)，表示液態(tài)混合物的沸點(diǎn)與平衡時(shí)氣液兩相組成關(guān)系的相圖，稱為沸點(diǎn)和組成（T-x）圖。大致分為三大類，包括：（1）理想液體混合物或接近理想液體混合物的雙液系，其混合物沸點(diǎn)介于兩純物質(zhì)沸點(diǎn)之間。見(jiàn)圖1（a）；（2）各組分蒸氣壓對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生很大的負(fù)偏差，有最高恒沸點(diǎn)。見(jiàn)圖1（b）；（3）各組分蒸汽壓對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，有最低恒沸

2、點(diǎn)。見(jiàn)圖2（c）1。圖1三類沸點(diǎn)組成（T-x）圖本實(shí)驗(yàn)為了繪制常壓下環(huán)己烷-乙醇的氣液平衡相圖，先利用阿貝折射儀測(cè)定一系列已知組成混合溶液及純液體的折射率，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再通過(guò)沸點(diǎn)儀測(cè)定一系列混合溶液的沸點(diǎn)，收集少量氣相冷凝液以及溶液，測(cè)定其各自折射率，反查標(biāo)準(zhǔn)曲線得到氣液兩相的組成，繪得雙液系的氣液平衡相圖。2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)藥品、儀器及測(cè)試裝置示意圖2.1.1實(shí)驗(yàn)藥品環(huán)己烷，無(wú)水乙醇；2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器沸點(diǎn)儀，調(diào)壓器，溫度傳感器，錐形瓶，分析天平（AR2140）,阿貝折射儀（型號(hào)不明，為靠近恒溫箱的一臺(tái)），恒溫箱，膠頭滴管，10ml吸量管，洗耳球；2.1.3裝置示意圖1.冷卻水入口2.氣

3、相冷凝液貯存小泡3.溫度傳感器4.噴嘴5.電熱絲6.調(diào)壓器2取5個(gè)干燥、潔凈的錐形瓶，編號(hào)為15，分別稱量空瓶質(zhì)量并記錄；依照表1分別量取并加入相應(yīng)體積的環(huán)己烷和無(wú)水乙醇，每加入一種溶液以后稱量其質(zhì)量并記錄；得到5份已知組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液。表1標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制方案錐形瓶編號(hào)加入環(huán)己烷體積V/ml加入無(wú)水乙醇體積V/ml215324433542651通過(guò)稱量得到的質(zhì)量，可以計(jì)算得到每錐形瓶中液體含有的環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)測(cè)定其折射率，可以確定特定環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與折射率的關(guān)系；同時(shí)，直接量取純的無(wú)水乙醇和環(huán)己烷，測(cè)定其折射率，可以繪制在環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在01之間的無(wú)水乙醇混合溶液與折射率的關(guān)系曲線。2.3

4、.1.2標(biāo)準(zhǔn)溶液折射率測(cè)定（1）將阿貝折射儀與恒溫箱相連，調(diào)節(jié)反光鏡使目鏡視野明亮，此時(shí)儀器可以用來(lái)測(cè)量；（2）用膠頭滴管加入待測(cè)溶液，在右目鏡視野中觀察，用右側(cè)旋鈕調(diào)節(jié)色散程度，使明暗分界線清晰，再用左側(cè)旋鈕調(diào)節(jié)，使明暗交界線處于叉絲中心。注意接下來(lái)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證左側(cè)旋鈕在調(diào)節(jié)時(shí)向同一方向擰動(dòng)，以避免空程；（3）在左目鏡中讀數(shù)并記錄；注意估讀，最后可以讀到小數(shù)點(diǎn)后四位。2.3.1.3繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線在坐標(biāo)紙上，以環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)xB為自變量,折射率n為因變量，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（線性擬合）。2.3.2待測(cè)溶液的沸點(diǎn)測(cè)定打開(kāi)溫度傳感器、加熱器電源，調(diào)節(jié)加熱電壓至3035V，可觀察到電熱絲附近液體有對(duì)流現(xiàn)象

5、產(chǎn)生，待液體從噴嘴中噴出后，降低加熱電壓，直至噴嘴中噴出的液體可以連續(xù)不間斷地與溫度傳感器接觸，且不會(huì)沿接口噴至氣相冷凝液貯存小泡。待溫度穩(wěn)定后（兩分鐘內(nèi)溫度波動(dòng)不超過(guò)0.2C）,讀數(shù)記為液體混合物的沸點(diǎn)。2.3.3待測(cè)溶液氣液平衡時(shí)氣液兩相組分的測(cè)定氣相組分測(cè)定待溫度傳感器示數(shù)穩(wěn)定后（即已經(jīng)達(dá)到氣液平衡），摘去冷凝管頂部小燒杯，用干燥、潔凈的膠頭滴管吸取小泡內(nèi)的冷凝液少許，迅速在阿貝折射儀下測(cè)定其折射率并記錄。從而可以反查標(biāo)準(zhǔn)曲線得到該溫度下氣相冷凝液中含有的環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于該組分是在沸點(diǎn)溫度下的氣液平衡組成，所以在室溫下組分會(huì)改變，所以這一步要求迅速完成。液相組分測(cè)定關(guān)閉加熱電源，待液

6、相冷卻至室溫后，摘去溫度傳感器部分的玻璃塞，用干燥、潔凈的膠頭滴管吸取少量液體，在阿貝折射儀下測(cè)定其折射率并記錄。從而可以反查標(biāo)準(zhǔn)曲線得到該溫度下液相中含有的環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3結(jié)果與討論3.1原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2標(biāo)準(zhǔn)溶液與折射率關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表編號(hào)錐形瓶空質(zhì)量m0/g加入無(wú)水乙醇后質(zhì)量m,/g加入環(huán)己烷后質(zhì)量m2/g折射率n132.318836.242537.09681.3700232.382335.528037.11511.3790329.342431.697034.02471.3898431.265232.831035.92141.4006534.474335.243639.06141.4120

7、同時(shí)測(cè)得純環(huán)己烷的折射率為1.4248，純無(wú)水乙醇的折射率為1.3602。表3混合物沸點(diǎn)與氣液二相折射率關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表編號(hào)混合液體沸點(diǎn)T/Cbp冷凝液折射率n液相折射率n180.421.42421.4246264.961.40501.4171364.731.40301.4130464.571.40171.4001569.741.38961.3698675.551.37101.3622778.131.36001.35993.2數(shù)據(jù)處理過(guò)程及結(jié)果編號(hào)錐形瓶空質(zhì)量m0/g加入無(wú)水乙醇后質(zhì)量m1/g加入環(huán)己烷后質(zhì)量m2/g環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)XB*折射率n132.318836.242537.09680.17

8、8801.3700232.382335.528037.11510.335341.3790329.342431.697034.02470.497131.3898431.265232.831035.92140.663721.4006534.474335.243639.06140.832291.41206N/AN/AN/A11.42487N/AN/AN/A01.3602表4標(biāo)準(zhǔn)溶液與折射率關(guān)系數(shù)據(jù)處理表*XB=(m2mi)/(m2m0)參考值：純乙醇的折射率為1.35930（波長(zhǎng)589.3nm,溫度25.00C下）3；純環(huán)己烷的折射率為1.42360(波長(zhǎng)589.3nm,溫度25.00C下)4。本次

9、測(cè)量值在誤差允許范圍內(nèi),可以接受。從而繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖3所示：1.43)iLaSpQLiniirHlof齊1.42-1.4013-91.37-1.曲-|XLJ5liuiitkiniy-a4-b*s.IdjuElSfnnri-D.99如Ailuc-KridniLbrdlErjihiJVSi葉Qflfl.I02030.4QW3.S3Q.809MassFractionofCyclohexane表3混合物沸點(diǎn)與氣液二相折射率關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表表3混合物沸點(diǎn)與氣液二相折射率關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表圖3折射率-環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線：）某環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下標(biāo)準(zhǔn)溶液的折射率數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況和詢問(wèn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的結(jié)果，實(shí)

10、驗(yàn)者對(duì)本次得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到y(tǒng)（折射率）關(guān)于x（混合溶液中環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的方程為y=0.06459*x+1.35855，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.997，線性程度良好，可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線待查。表5混合物沸點(diǎn)與氣液二相折射率、組分關(guān)系數(shù)據(jù)處理表編號(hào)混合物液體沸點(diǎn)T/C冷凝液折射率n液相折射率nl氣相中環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)xBg液相中環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)xBl180.421.42421.42461*1*264.961.40501.41710.71920.9065364.731.40301.41300.68820.8430464.571.40171.40010.66810.6433569.741.38961

11、.36980.48070.1742675.551.37101.37100.19280.0565778.131.36001.35990*0*由于該液體實(shí)為純環(huán)己烷，由于標(biāo)準(zhǔn)曲線線性擬合的原因，反查時(shí)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1，在這里均處理為1，表明為環(huán)己烷的純液體；*由于該液體實(shí)為純無(wú)水乙醇，由于標(biāo)準(zhǔn)曲線線性擬合的原因，反查時(shí)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍大于0（在0.0200左右），在這里均處理為0，表明為無(wú)水乙醇的純液體。凡=（n1.35855）/0.06459；B,ggxBl=（nl1.35855）/0.06459。參考值：無(wú)水乙醇沸點(diǎn)為78.30C（在外壓為760.00mmHg下）5；環(huán)己烷沸點(diǎn)為80.75

12、C（在外壓為760.0mmHg下）6。考慮到測(cè)量時(shí)氣壓不是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，本次沸點(diǎn)的測(cè)量可以認(rèn)為有效。從而繪制環(huán)己烷-乙醇雙液系的沸點(diǎn)-組成圖，如圖4所示：70圖4環(huán)己烷-乙醇雙液系的沸點(diǎn)-組成圖：（）沸點(diǎn)-液相組成數(shù)據(jù)點(diǎn)；（）沸點(diǎn)-氣相組成數(shù)據(jù)點(diǎn);（x）氣相液相兩線交點(diǎn)，即最低恒沸點(diǎn)。6!-U.20-40.6Ox-0.6784隔FTIionofxE口D址和心（Gai；D；je：iLiquid將兩組數(shù)據(jù)點(diǎn)由Origin8.0軟件進(jìn)行曲線連接，可發(fā)現(xiàn)兩組分有最低恒沸點(diǎn)，經(jīng)取點(diǎn)、坐標(biāo)顯示后，在圖4中標(biāo)記為“x”的最低恒沸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為：恒沸物中環(huán)己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6784，最低恒沸點(diǎn)為64.86C。

13、3.3討論分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析本次實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量?jī)纱螖?shù)據(jù)，一次為標(biāo)準(zhǔn)曲線，一次為沸點(diǎn)及折射率。在標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制中，數(shù)據(jù)整體分布較為理想，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.997,線性較好，但兩份純液體的偏差相對(duì)較大，可以考慮采取二次曲線擬合，探究是否能達(dá)到更好的精度。在撰寫報(bào)告的過(guò)程中所查閱的文獻(xiàn)材料對(duì)于“質(zhì)量分?jǐn)?shù)-折射率”這一關(guān)系沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)擬合模型，但部分文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告中涉及的是“體積分?jǐn)?shù)-折射率”關(guān)系，實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為這一設(shè)計(jì)存在明顯缺陷：由10ml吸量管量取的液體體積誤差較大，兩種液體均易揮發(fā)，對(duì)控制實(shí)驗(yàn)精度相當(dāng)不利，相比之下，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行衡量可以很好地控制這一誤差。在沸點(diǎn)-組分關(guān)系圖中，可以很明顯地觀察

14、到，沸點(diǎn)-液相組成曲線的擬合難以令人滿意，數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯處于曲線下方，嘗試多種軟件進(jìn)行多種曲線擬合均難以達(dá)到理想的效果。在最低恒沸點(diǎn)附近，沸點(diǎn)-氣相組成曲線由于擬合原因，有某一區(qū)段處于沸點(diǎn)-液相組成曲線下方，在取最低恒沸點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者在兩曲線圍成的區(qū)域中心取點(diǎn)并由軟件直接讀出坐標(biāo)值。經(jīng)查閱網(wǎng)上及本校歷年實(shí)驗(yàn)報(bào)告發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差不大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象分析本次實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為有以下4點(diǎn)需要注意：標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程中的稱量由于標(biāo)準(zhǔn)溶液的自變量為環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在配制過(guò)程中對(duì)質(zhì)量的稱量要求更高，因此要求所有的稱量過(guò)程在同一臺(tái)分析天平上進(jìn)行。然而本次稱量過(guò)程中，分析天平和各種藥品置于普通臺(tái)板上，旁邊眾多同學(xué)

15、的藥品取放對(duì)平衡性產(chǎn)生很大的干擾，讀數(shù)幾乎無(wú)法穩(wěn)定對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成了極大影響，同時(shí)也對(duì)儀器產(chǎn)生一定損害。折射率的測(cè)量阿貝折射儀的測(cè)量過(guò)程應(yīng)該保證處于恒溫狀態(tài)，測(cè)量前后都應(yīng)該觀察恒溫箱的示數(shù)是否穩(wěn)定；測(cè)量過(guò)程應(yīng)該避免空程的產(chǎn)生，避免測(cè)量的毛玻璃受硬物撞擊。沸點(diǎn)儀的控溫沸點(diǎn)儀在穩(wěn)定加熱電壓后，應(yīng)該保證從噴嘴噴出的液體能夠連續(xù)地噴到溫度傳感器上，并且同時(shí)不噴入氣相冷凝液貯存小泡中，以免造成誤差。在溫度傳感器示數(shù)穩(wěn)定后（兩分鐘內(nèi)波動(dòng)不超過(guò)0.2C），可以認(rèn)為該溫度為沸點(diǎn)。冷凝液、液相液體的取樣和測(cè)量冷凝液的取樣應(yīng)該從貯存小泡中取出上部液體，迅速進(jìn)行折射率的測(cè)量，因?yàn)橐坏┤〕觯x開(kāi)當(dāng)前溫度和蒸氣壓后，

16、液體組分會(huì)因?yàn)楦髯圆煌潭鹊膿]發(fā)而發(fā)生改變，所以這一過(guò)程必須盡快完成。液相液體的取樣應(yīng)該等液體冷卻至室溫，然后用滴管攪拌均勻后取出測(cè)量。上述兩項(xiàng)的測(cè)量都必須要在達(dá)到氣液平衡之后才能進(jìn)行3.3.3改進(jìn)意見(jiàn)使用專門的天平室，避免稱量時(shí)的干擾和損壞儀器；增設(shè)沸點(diǎn)儀中溶液的梯度組，以保證曲線擬合時(shí)的數(shù)據(jù)吻合程度；調(diào)高噴嘴高度或增加貯存小泡邊上連接管的傾斜程度，避免噴嘴噴出的液體噴入貯存小泡造成誤差。4結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)己烷-乙醇雙組分的氣液平衡相圖如圖4。兩組分蒸氣壓對(duì)拉烏爾定律產(chǎn)生很大的正偏差，存在最低恒沸點(diǎn)。其中恒沸混合物中環(huán)己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.6759,最低恒沸點(diǎn)約為64.86C。5參考文獻(xiàn)

17、【1】賀德華等.M基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京：高等教育出版社，2008：36【2】賀德華等.M基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京：高等教育出版社，2008：37【3】Seto,H.;JAERI-Review2003,(2003-019,ActivityReportontheUtilizationofResearchReactors),P268-269【4】Gonzalez,EmilioJ.;JournalofChemical&EngineeringData2010,V55(11),P4931-4936【5】Mejia,Andres;JournalofChemical&EngineeringData2010,V

18、55(1),P428-434【6】Yang,Zhidong;JournalofChemical&EngineeringData2010,V55(12),P5745-57506附錄6.1計(jì)算舉例表4中式*,如第一行：凡=(37.096836.2425)/(37.096832.3188)=0.17880B表5中的式，如第二行：x口=(1.40501.35855)/0.06459=0.7191；=B,gB,l(1.41711.35855)/0.06459=0.9064。6.2思考題使用阿貝折射儀時(shí)需要注意些什么問(wèn)題？如何正確使用才能測(cè)準(zhǔn)數(shù)據(jù)？棱鏡毛玻璃表面不能觸及硬物，尤其是滴管，在加入被測(cè)溶液后立即關(guān)閉鏡頭。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須使用同一臺(tái)儀器；在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)注意調(diào)節(jié)左側(cè)旋鈕使明暗分界線與叉絲中心相交時(shí)，旋鈕應(yīng)該向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以免產(chǎn)生空程；在測(cè)量冷凝液的過(guò)程中，應(yīng)該迅速完成；在所有測(cè)量過(guò)程中應(yīng)該保證恒溫箱與折射儀的連接良好。收集氣相冷凝液的小泡的體積太大，對(duì)測(cè)量有何影響？若收集氣相冷凝液的小泡的體積太大，則開(kāi)始加熱時(shí)所收集的氣相冷凝液無(wú)法得到充分的交換、平衡，始終有所殘留，而這一組分與到達(dá)沸點(diǎn)時(shí)存