实验3 双液系的气液平衡相图 钱佳鹏 120242119
3．1实验目的与要求
3．1．1用沸点仪测定在一大气压下环已烷-乙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。

3．1．2掌握双组分体系沸点的测定方法。

通过实验进一步理解分馏原理。

3．1．3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。

3．2预习要求
3．2．1了解绘制双液系相图的基本原理。

3．2．2了解阿贝折射仪的使用方法。

3．2．3了解本实验中的注意事项，如何判断气—液两相已达到平衡。

3．3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、环已烷—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。

通常用几何做图的方法将双液系的沸点对其气相、液相组成做图，所得图形称为双液系T —χ相图，在一定温度下还可画出体系的压力与组成的P —χ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（Raoult ）定律的偏差不大， 在T —χ相图上，溶液的蒸气压和沸点介于A-B 两纯组分蒸气压及沸点之间，如甲苯—苯体系图3—1所示，为第一类。

图3—1 完全互溶体系的一种蒸馏相图 图3—2 完全互溶双液系的另一种蒸馏相图 图3—3 完全互溶双液系的另一种蒸馏相图
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 —χ相图上可能有最低和最高点出现，如图3—2、图3—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大气压为101325P a ）。

从相律来看，对二组分体系，当压力恒定时，在气液二相共存区域中，自由度等于1，若温度一定，气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 —χ相图。

本实验两相中的成分分析均采用折光率法，溶液折光率法测定，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、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，做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：沸点仪的设计虽然各有异，但其设计思想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3—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气相样品。

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。

数字温度传感器须注意浸在液面下，约2cm ，一半露在蒸气中，这样，溶液沸腾时，在气泡的带动下，使气体不断喷向传感器，能较准确的测量周围环境的温度。

这样测得的温度就能较好地代表气液两相的平衡温度。

3．4仪器与药品
沸点仪 1套 阿贝折射仪 1台 稳流电源（2A ） 1台 超级恒温槽 1台 吸液管（干燥） 20支
小玻璃漏斗 1只 环已烷(化学纯)，乙醇(化学纯)。

图3—4 沸点仪
数字温度计
E
L
D
C
3．5实验步骤
3．5．1洗净、烘干蒸馏瓶，加入20ml乙醇，按图3—4 装好仪器。

温度传感器的头浸入
液体内2cm，冷凝管C通入冷水。

夹上电热丝夹，打开冷却水，擦上电源，调节稳流电源，观察加热丝上是否有小气泡逸出，电压控制在20V（约15.64V）以内，溶液会慢慢沸腾。

体系中的蒸气经冷凝管冷凝后，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，反复数次。

待温度稳定后体系处于平衡状态时，记下温度及大气压，切断电源。

3．5．2取样并测定组成（折光率）。

用干燥的吸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或称
量瓶中，并将试管或称量瓶置于一盛有冷水的小烧瓶或冰盘中让其冷却，防止挥发。

观察阿贝折射仪上的温度是否正确，用乙醇或丙酮棉球擦试镜面，并用吹风机吹干。

把待测的气相液、液相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。

3．5．3蒸馏瓶中加入1ml环已烷，按前方法测其沸点及气、液两相折率。

再依次加入1，2，3，4，5和6ml的环已烷，作同样实验。

如果样品来不及分析，可将样品放入带有标号的称量瓶或小试管中，用包有锡纸的塞子塞严，放在冰水中（防止挥发）。

有空时再测折射率。

上述实验结束后，回收母液，用少量环已烷洗3~4次蒸馏瓶，注入20ml环已烷，再装好仪器，先测定纯环已烷的沸点，然后依次加入0.2，0.5，1，1.5，2，2.5，3，4，5ml的乙醇，分别测定它们的沸点及气、液两相样品的折射率。

欲知气、液两相乙醇（或环已烷）的质量%浓度，需要作一标准的工作曲线（折射率-成分图），用内插法在图上找出折射所相应的成分。

质量%浓度的配制方法如下：
洗净并烘干8个小滴瓶，冷却后准确称量其中的6个。

然后用带刻度的移液管分别加入1、2、3、4、5、6ml的乙醇，分别称量其质量。

再依次分别加入6、5、4、3、2、1ml的环已烷，再称量。

旋紧盖子后摇匀。

另外两个空的滴瓶中分别加入纯环已烷与纯乙醇。

在恒温下同时测定这些样品的折射率。

3．6数据处理
3．6．1以折射率为纵坐标，乙醇质量%浓度为横坐标，作出工作曲线，并用内插法在工作曲线上找出各样品的成分。

3．6．2将气、液两相平衡时的沸点、折射率、成分等数据列表。

3．6．3作沸点—气、液成分图，并求出最低恒沸点及相应的恒沸混合物的成分。

利用Origin软件作出交点坐标，环己烷-乙醇体系共沸温度为64.57℃，共沸组成环己烷质量分数为71.7%。

3．8思考题
3．8．1沸点仪中D贮槽过大或过小，对测量有什么影响？
答：若体积过大，冷凝回流回来的液体不能回到溶液中，使得所测得的不是此溶液的气相组成，而是偏向于分馏，影响实验结果；若体积过小，则小球室里面的液体量不足，不够测2次（或有些实验要求测3次）折射率，从而会加大实验的偶然误差。

3．8．2平衡时，气液两相温度是否应该一样？实际是否一样？对测量有何影响？
答：不一样，由于仪器保温欠佳，使蒸气还没有到达冷凝小球就因冷凝而成为液相。

3．8．3在测量时如有过热和分馏作用，使测量的相图将会产生怎样的变化？
答：据相图测定原理，过热时将导致液相线向高温处移动，就是向上移动。

分馏作用会导致出来的气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点回向易挥发组分那边偏移。

就是向左或向右偏移。

3．8．4如何判断气—液已达到平衡状态？讨论此溶液蒸馏时的分离情况。

答：当温度计读数稳定的时候气液达到平衡状态。