实验五 双液系的气液平衡相图【【摘摘 要要】】 本实验根据温度一定时物质的折光率与其浓度的对应关系，利用折射仪测定不同比例互溶 的水——正丙醇双液系沸腾时气相和液相的组成，绘制双液系的平衡相图， 从而得到体系 的最低恒沸点Abstract】】 According to the corresponding relationship between concentration and refractive index of the matter in the certain temperature, in this experiment, we use the refractometer to measure the makes-up of the water---CH3CH2CH2OH bi-liquid system at their boiling point. Draw the bi- liquid system equilibrium phase-graph and find the lowest constant boiling point. 【【关关 键键 词词】】 双液系 气液平衡相图 最低恒沸点【【Keywords】】 bi-liquid system gas-liquid equilibrium phase-graph lowest constant boiling point一、实验目的与要求：一、实验目的与要求：1、用沸点仪测定在一大气压下水——正丙醇双液系的气液平衡相图，确定其最低恒沸 点温度及恒沸混合物的组成。
2、掌握双组分沸点的测定方法通过实验进一步理解分馏原理 3、用阿贝折射仪测定液体和蒸气的组成，学会用折光率确定双组分体系的组成 二、二、 预习要求：预习要求： 1、 了解绘制双液系相图的基本原理 2、 了解阿贝折射仪的使用方法 3、 了解本实验中的注意事项，如何判断气－液两相已达到平衡 三、实验原理：三、实验原理： 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 系例如：苯－乙醇体系，正丙醇－水体系，环己烷—乙醇体系都是完全互溶双液系，苯 －水体系则是部分互溶双液系 液体的沸点是指液体的蒸气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 通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相、液相组成作图，所得图形称为双液 系 T－x 相图，在一定温度下还可画出体系的压力 P 与组成的 P－x 关系图。
完全互溶双液 系在恒定压力下的气液平衡相图可分为三类： 如果溶液与拉乌尔定律的偏差不大，在 T—x 图上，溶液的蒸汽压和沸点介于 A，B 两 纯组分蒸汽压及沸点之间，如甲苯-苯体系（图 5－1）所示，为第一类 实际溶液由于 A—B 两组分的相互影响，常与拉乌尔定律有较大的偏差在 T—X 图上 可能有最低和最高点出现如图（5－2） 、 （5－3）所示这些点称为恒沸点其相应的溶 液称为恒沸点混合物恒沸混合物蒸馏所得的气相与液相的组成相同如：盐酸—水体系 具有最高恒沸点，为第二类；正丙醇—水等体系具有最低恒沸点，为第三类外界压力不同时，同一双液系的相图也不尽相同，所以恒沸点和恒沸点混合物的组成 还与外压有关，一般在未注明压力时，通常都指外压为标准大气压的值（1 大气压或 101325Pa） 图 5-1 完全互溶体系的一种蒸馏相图 图 5-2,3 完全互溶双液系的另两种类型相图从相律来看，对二组分体系，当压力恒定时，在汽液二相共存区域中，自由度等于 1，若温度一定，汽液两相成分也就确定当总成分一定时，由杠杆原理知，两相的相对量 也一定反之，在一定的实验装置中，利用回流冷凝的方法保持气液两相相对量一定，则 体系的温度恒定。
此时，取出两相中的样品，用物理方法或化学方法分析两相的成分，可 给出在该温度时气液两相平衡成分的坐标点改变体系的总成分，再如上法可找出另一对 坐标点，这样测得若干对坐标后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得双液 系的 T－X 相图本实验两相中的成分分析均采用折光率法，溶液折光率的测定，请看附 录说明书 物质的折光率是一特征数值，它与物质的浓度及温度有关大多数液态有机化合物的 折光率的温度系数为-0.0004，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定一般温度控制在0.2℃时，能从阿贝折射仪上准确测到小数点后 4 位有效数字溶液的浓度不同、组成不 同折光率也不同因此可先配制一系列已知组成，已知浓度的溶液，在恒定温度下测其折 光率，作出组成折光率工作曲线，便可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 沸点仪的构造及沸点的测定： 沸点仪的设计虽各有异，但其设计思想都集中在 如何正确地测定沸点和气液相的组成，以及防止过热 和避免分馏等方面我们所使用的沸点仪如图 5-4 所 示： 这是一只带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶，冷凝 管底部有一球形小室 D，用以收集冷凝下来的汽相样 品。
液相样品则通过烧瓶上的支管 L 抽取，图中 E 是 一根用 300W 的电炉丝截制而成的电加热丝，直接浸 入溶液中加热，以减少溶液沸腾时的过热暴沸现象 温度计安装时须注意使水银球一半浸在液面下，一半 露在蒸气中，并在水银球外围套一小玻璃管 C，这样， 溶液沸腾时，在气泡的带动下，使气液不断喷向水银 球而自玻璃管上端溢出；小玻璃管 C 还可减少沸点周 围环境（如空气流动或其它热源的辐射）对温度计读图 5-4 沸点仪A-盛液容器； B-测量温度计；C-小玻管； D-小球； E-电热丝F-冷凝管； G-温度计； L-支管数可能引起的波动，因此这样测得的温度就能较好地代表气液两相的平衡温度 分析平衡时气相和液相的组成，须正确取得气相和液相样品沸点仪中蒸气的分馏作 用会影响气相的平衡组成，使取得的气相样品的组成与气液平衡时的组成产生偏差，因此 要减少气相的分馏作用本实验中所用沸点仪是将平衡时的蒸气凝聚在小球 D 内，在容器 A 中的溶液不会溅入小球 D 的前提下，尽量缩短小球 D 与大球 A 的距离，为防止分馏， 尽量减少小球 D 的体积即可达此目的为了加速达到体系的平衡，可把 D 球中最初冷凝的 液体倾回到容器 A 中。
沸点的测定： 用玻璃水银温度计测量溶液的沸点，如图 5-5，固定在沸点仪上的水银温度计是全浸式 的，使用时除了要对温度计的零点和刻度误差等因素进行校正外，还应作露茎校正这是 由于温度计未能完全置于被测体系中而引起的根据玻璃与水银膨胀系数的差异，校正值 的计算式为：t露/℃=1.610-4·n·(t观-t环) 校正的方法是在测量沸点的温度计 B 旁再固定一支同样精度的温度计 G，G 的水银球 底部应置于测量温度计沸点稳定值至固定温度计橡皮塞露出那一段水银柱的中部读沸点 时同时读取温度计 G 上的读数，得到温度 t观和 t环在测量过程中，由于组成的变动，t观 也在变动，因此温度计 G 的位置也应随着沸点稳定值而进行调整，始终让其置于温度计 B 露出水银柱的中部式中的 n 是露出那段水银柱的长1.610-4是水银对玻璃的相对膨胀系 数 沸点除了要进行露茎校正外，还需要进行压力校正标准大气压下（P=760mmHg 或 101325Pa）测得的沸点为正常沸点实际测量时，压力一般都不恰好为标准大气压应用 特鲁顿规则及克劳修斯－克拉贝龙公式，可得溶液沸点随大气压变动而变动的近似值：tCtCPPa/(./) (/)27315 10101325 101325 校正后，溶液的正常沸点为：t沸=t观+t压+t露图 5-5 温度计露茎校正示意图四、仪器与药品：四、仪器与药品： 干燥吸管 20－30 支 擦镜纸 正丙醇（纯度 99.5%） H2O。
五、实验步骤：五、实验步骤： 1、正丙醇－水溶液折光率与组成工作曲线的测定： （1）配制正丙醇的质量百分比为 10%、20%、30%、40%、55%、70%、80%、90%的 正丙醇水溶液各 10mL准确计算正丙醇和水的量，用分析天平准确称量，为避免样品在 称量过程中挥发，应尽量做到动作迅速各个溶液确切的组成可按实际称量结果计算 （2）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某一定值，用纯水校 正阿贝折射仪，并测量上述溶液的折光率为了适应季节的变化，可选择若干温度测量， 一般可选 25℃、30℃、35℃三个温度 （3） 在坐标纸上绘制不同温度时正丙醇－水溶液的组成与折光率工作曲线 2、安装沸点仪：将烘干的沸点仪按图 5－4 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，用丙酮棉球擦拭镜面，并用吹风机吹干把待测 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5、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6、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7、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。
8、由以上测得的个点汽相、液相样品的折光率，从工作曲线上查找出其对应的组成在实验过程中，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该体系的最低恒沸点 在 87℃左右，正丙醇含量在 69～71%之间9、实验结束时，先让老师审查实验结果，然后再拆除实验装置，做好卫生，方可离开 实验室整个实验需要的时间较长，故在实验中可由两同学分别从水，从正丙醇开始做，各自 进行一半的测量，共同完成一相图 六、六、实。