04雙液系的氣液平衡相圖的繪制

1、實(shí)驗(yàn)四 雙液系的氣-液平衡相圖的繪制一、目的要求1.用沸點(diǎn)儀測(cè)定大氣壓下乙醇環(huán)己烷或異丙醇-環(huán)己烷雙液系氣-液平衡時(shí)氣相與液相組成及平衡溫度，繪制溫度組成圖，確定恒沸混合物的組成及恒沸點(diǎn)的溫度。2.了解物化實(shí)驗(yàn)中光學(xué)方法的基本原理，學(xué)會(huì)阿貝折光儀的使用。3.進(jìn)一步理解分餾原理。二、預(yù)習(xí)要求1.理解分餾原理，了解影響雙液系氣-液平衡的因素。2.熟悉阿貝折光儀的使用方法，了解折射率與物系組成的關(guān)系。3.掌握如何由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制相圖的方法。三、實(shí)驗(yàn)原理兩種在常溫時(shí)為液態(tài)的物質(zhì)混合起來(lái)而組成的二組分體系稱為雙液系。兩種液體若能按任意比例互相溶解，稱為完全互溶的雙液系；若只能在一定比例范圍內(nèi)互相溶解，則稱

2、部分互雙液系。雙液系的氣液平衡相圖圖可分為三類。如圖4.1。圖 4.1 二元系統(tǒng)圖 這些圖的縱軸是溫度(沸點(diǎn))，橫軸是代表液體B的摩爾分?jǐn)?shù)。在圖中有兩條曲線：上面的曲線是氣相線，表示在不同溶液的沸點(diǎn)時(shí)與溶液成平衡時(shí)的氣相組成，下面的曲線表示液相線，代表平衡時(shí)液相的組成。 例如圖4.1(a)中對(duì)應(yīng)于溫度t1的氣相點(diǎn)為y1，液相點(diǎn)為，這時(shí)的氣相組成y1點(diǎn)的橫軸讀數(shù)是，液相組成點(diǎn)點(diǎn)的橫軸讀數(shù)為。如果在恒壓下將溶液蒸餾，當(dāng)氣液兩相達(dá)平衡時(shí)，記下此時(shí)的沸點(diǎn)，并分別測(cè)定氣相(餾出物)與液相(蒸餾液)的組成，就能繪出此圖。圖4.1(b)上有個(gè)最低點(diǎn)，圖4.1(c)上有個(gè)最高點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為恒沸點(diǎn)，其相應(yīng)的溶液

3、稱為恒沸混合物，在此點(diǎn)蒸餾所得氣相與液相組成相同。四、儀器和藥品 1.儀器玻璃沸點(diǎn)儀一套；阿貝折光儀一臺(tái)；WLS系列可調(diào)式恒流電源一臺(tái)；SWJ型精密數(shù)字溫度計(jì)一臺(tái)；SYC超級(jí)恒溫槽一臺(tái)。2.藥品無(wú)水乙醇（AR）或異丙醇（AR）；環(huán)己烷（AR）。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.按圖4.2連好沸點(diǎn)儀，數(shù)字貝克曼溫度計(jì),感溫桿勿與電熱絲相碰。2.接通冷凝水，用超級(jí)恒溫槽完成冷凝循環(huán)。量取35ml異丙醇從側(cè)管加入蒸餾瓶?jī)?nèi)，并使傳感器浸入溶液3cm左右。將加熱絲接通恒流電源，將電流調(diào)定1.1A，使電熱絲將液體加熱至緩慢沸騰，待溫度基本恒定后，再連同支架一起傾斜蒸餾瓶，使小槽中氣相冷凝液傾回蒸餾瓶?jī)?nèi)，重復(fù)三次（加熱時(shí)間不

4、宜太長(zhǎng)，以免物質(zhì)揮發(fā)），記下乙醇的沸點(diǎn)及環(huán)境氣壓。圖4.2 實(shí)驗(yàn)裝置3.依次再加入2、3、6、12ml環(huán)已烷，同上法測(cè)定溶液的沸點(diǎn)和吸取氣、液相并測(cè)其折射率。4.將溶液倒入回收瓶，用吹風(fēng)機(jī)吹干蒸餾瓶。5.從側(cè)管加入35ml環(huán)已烷，測(cè)其沸點(diǎn)。6.依次加入0.3、0.8、1.2、1.6、2ml異丙醇，按上法測(cè)其沸點(diǎn)和吸取氣、液相并測(cè)其折射率。7.關(guān)閉儀器和冷凝水，將溶液倒入回收瓶。8.用阿貝折光儀測(cè)定不同組成標(biāo)準(zhǔn)溶液以及純異丙醇、純環(huán)己烷的折射率。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.沸點(diǎn)儀中沒(méi)有裝入溶液之前絕對(duì)不能通電加熱，如果沒(méi)有溶液，通電加熱絲時(shí)，沸點(diǎn)儀會(huì)炸裂。2.一定要在停止通電加熱之后，方可取樣進(jìn)行分析。

5、3.使用阿貝折光儀時(shí)，棱鏡上不能觸及硬物(滴管)，要用專用擦鏡紙擦鏡面。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1.將標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積百分?jǐn)?shù)按式(4-1)換算成重量百分?jǐn)?shù)，然后以重量百分?jǐn)?shù)對(duì)折射率作圖。 （4-1）式中V1、d1分別代表乙醇的體積及比重。乙醇的比重在20為0.7893；V2、d2分別代表環(huán)己烷的體積及比重，環(huán)己烷的比重在20時(shí)為0.7791。2.沸點(diǎn)校正。由于溫度計(jì)的水銀柱未全部浸入待測(cè)溫度的區(qū)域內(nèi)而須進(jìn)行露莖校正，校正公式如下： （4-2） （4-3）式中K0.00016，n為露出被測(cè)體系之外的水銀柱長(zhǎng)度，為測(cè)量溫度計(jì)上的讀數(shù)，為環(huán)境溫度，為校正后的溫度。 3.將由工作曲線查得的氣-液二相的平衡組成

6、及校正后的沸點(diǎn)列表并繪制乙醇環(huán)己烷或異丙醇環(huán)己烷的氣-液平衡相圖。4.根據(jù)相圖指出該二元體系的恒沸點(diǎn)的溫度及恒沸混合物的組成。八、思考題1.沸點(diǎn)儀中的小球的體積過(guò)大對(duì)測(cè)量有何影響?2.如何判定氣-液相已達(dá)平衡?附1 WLS系列可調(diào)式恒流電源的使用方法1.將負(fù)載線按顏色插入并略旋緊（地線按需要與正或負(fù)連接，也可不連接）。2.接通電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。3.將兩線夾短路，調(diào)節(jié)粗、細(xì)調(diào)整旋扭，使電流顯示所需讀數(shù)。4.將負(fù)載夾與負(fù)載按正負(fù)極性相連，此時(shí)儀器顯示通過(guò)負(fù)載的電流及兩端電壓。附2 阿貝折光儀的使用及說(shuō)明1.儀器構(gòu)造的簡(jiǎn)單原理 根據(jù)光的全反射原理，光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于傳播速度不同，會(huì)

7、發(fā)生折射。根據(jù)折射定律，當(dāng)光線從介質(zhì)進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，入射角i與折射角r之間有下列關(guān)系： （4-4）式中n1,n2,u1,u2 分別為1、2兩介質(zhì)的折射率和光在其中的傳播速度，n1，2是介質(zhì)2對(duì)于介質(zhì)1的相對(duì)折射率。折射率為物質(zhì)的特性常數(shù)，對(duì)一定波長(zhǎng)的光，在一定溫度壓力下是一個(gè)定值。由式(4-4)可知，當(dāng)n2n1時(shí)，則折射角r恒小于入射角i。當(dāng)入射角i增加到90°時(shí)，折射角相應(yīng)地增加到最大值rc，rc稱為臨界角，此時(shí)介質(zhì)2中從OY到OA之間有光線通過(guò)，而OY到OX之間則為暗區(qū)，如圖4-3。當(dāng)入射角等于90°時(shí)，上式可寫成： （4-5）即在固定一種介質(zhì)時(shí)，臨界折射角rc的大小和折射

8、率有簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系。阿貝折光儀就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。如圖4-4是儀器構(gòu)造的示意圖。它的主要部分為兩塊直角棱鏡P、P，棱鏡P的粗糙表面A，D，與P的光學(xué)平面鏡AD之間約有0.1到0.15mm的空隙，用于裝待測(cè)液體并使在P、P之間鋪成一簿層。光線從反射鏡射入棱鏡P后，由于A，D，面是粗糙的毛玻璃而發(fā)生漫射，從各種角度透過(guò)縫隙的被測(cè)液體，進(jìn)入棱鏡P中，由前所知，從各個(gè)方向進(jìn)入棱鏡P的光線均產(chǎn)生折射，而其折射角全部落在臨界角rc之內(nèi)(因?yàn)槔忡R的折射率大于液體的折射率，因此入射角從0o到90o全部光線都能通過(guò)棱鏡而發(fā)生折射)。具有臨界角rc的光線穿出棱鏡P后射于目鏡上，此時(shí)若將目鏡的十字線調(diào)節(jié)到適當(dāng)位

9、置，則會(huì)見(jiàn)到目鏡上半明半暗。AyxOrrci900rcrc90o-AADDPP圖 4.3 折射角 圖4.4折射儀構(gòu)造從幾何光學(xué)原理可以證明、縫隙中液體的折射率n液與rc間的關(guān)系為： （4-6）對(duì)一定的棱鏡為一常數(shù)， n棱鏡在定溫下也是個(gè)定值。所以液體的折射率n液是角rc的函數(shù)。由rc可計(jì)算液體折射率。折光儀上已經(jīng)把讀數(shù)rc換算成n液的值，可直接讀出n液的值。在指定條件下，液體的折射率因所用單色光的波長(zhǎng)不同而不同。若用普通白光作為光源，則由于發(fā)生色散而在明暗分界線處呈現(xiàn)彩色光帶，使明暗交界不清楚。為了能用白光作光源，故在儀器中還裝有兩個(gè)各由三塊棱鏡組成的“阿密西”棱鏡作為補(bǔ)償棱鏡(上面的一塊“阿

10、密西”棱鏡可以轉(zhuǎn)動(dòng))，調(diào)節(jié)其相對(duì)位置，在適當(dāng)取向時(shí)，可以使從下面的折射棱鏡出來(lái)的色散光線重新成為白光，消除色帶，使明暗界線清楚。此時(shí)，用白光測(cè)得的折射率即相當(dāng)于用鈉光D線(波長(zhǎng)5890Å)所測(cè)得的折射率nD。 折射率是物質(zhì)的特性常數(shù)之一，它的數(shù)值與溫度、壓力和光源的波長(zhǎng)等有關(guān)。符號(hào)nD20是指在20時(shí)用鈉光D線作光源時(shí)的物質(zhì)的折射率。溫度對(duì)折射率有影響。多數(shù)液態(tài)有機(jī)物質(zhì)當(dāng)溫度每增加1時(shí)，折射率降低3.5×10-4到5.5×l0-4，而固體的折射率和溫度的關(guān)系沒(méi)有規(guī)律，一般不超過(guò)1.0×10-5。通常，大氣壓的變化對(duì)折射率的數(shù)值影響不明顯，只有在很精密的工

11、作中才考慮壓力的影響。2.阿貝折光儀的使用(見(jiàn)圖4.5) 打開(kāi)棱鏡5、6，用擦鏡紙將鏡面擦潔后，在鏡面上滴少量待測(cè)液體，并使其鋪滿整個(gè)鏡面、關(guān)上棱鏡。 調(diào)節(jié)反射鏡7使入射光線達(dá)到最強(qiáng)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡使目鏡出現(xiàn)半明半暗，分界線通過(guò)十字線的交叉點(diǎn)，這時(shí)從放大鏡2即可在標(biāo)尺上讀出液體的折射率。 如出現(xiàn)彩色光帶，調(diào)節(jié)消色補(bǔ)償器，使彩色光帶消失，明暗界面清晰。 測(cè)完之后，打開(kāi)棱鏡并用丙酮洗凈鏡面，也可用吸耳球吹干鏡面，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，除必須使鏡面清潔外，尚需夾上兩層擦鏡紙才能扭緊兩棱鏡的閉合螺絲，以防鏡面受損。3.阿貝折光儀的標(biāo)尺零點(diǎn)的校正阿貝折光儀在使用前，必須先經(jīng)標(biāo)尺零點(diǎn)的校正，可用已知折射率的標(biāo)準(zhǔn)液體(如純水的nD25