二组分完全互溶系统的气液平衡相图

二组分完全互溶系统的气——液平衡相图 周韬 摘要：摘要：测定了乙醇--环己烷完全互溶系统的气--液平衡相图。在相图上，以环己 烷占互溶系统的摩尔含量作为横坐标，以混合物的沸点为纵坐标，分别从分析纯 的乙醇出发和分析纯的环己烷出发，制作出完整的混合溶液相图。实验中通过控 制压力相等的条件测定相图需要的各项数据， 混合物溶液各组分的含量利用折光 率不同来确定。实验结果与理论值能够很好的符合。 关键词：关键词：相律；折射率；沸点。 1 1 前言前言 许新华，王晓岗，刘梅川等人的“双液系气液平衡相图实验的新方法研究”① 中讨论了自制工作曲线和引用文献数据的优良，由于实验环境等因素的影响，文 献值之间也会有差别，所以文献数据并不能很好地反映真实情况，而自制工作曲 线由于溶液配制时会挥发，准确浓度的溶液配制又有难度。 另一方面气相测折光率确定组分是，由于气相冷凝液 非常少，难以进行平行测定，偶然误差比较大。他们在文 献中提到的解决办法是，用气相色谱法是进行微量样品分 析。借鉴气相色谱实验定量配制混合样品的方法，比较精 确地配制出乙醇－环己烷标准组成溶液。对最后得出的实 验数据用 Origin 处理得到如下的工作曲线（图 1） ： 图 1文献的工作曲线 进行实验时，由于器材和时间的限制，我们采用直接引用文献数据和测定折 光率的方式。最后的数据进行温度校正之后作图，得到的工作曲线依然可以很好 地和文献相吻合。 2 2 实验部分实验部分 2.12.1 原理原理 两种液态物质若能以任意比例混合，则称为二组分完全互溶混合物系统。当 其蒸气压与外压相当时，溶液就会沸腾，此时的温度称为沸点，沸腾的溶液也产 生了气相和液相两种相数。 在一定压力下，二组分完全互溶混合物系统的沸点可能有三种情况：①混合 物的沸点介于两种纯液体的沸点之间，这种混合物，气液两项的组成不同，可以 通过精馏使系统的两个组分完全分离开；②混合物有沸点极大值；③混合物有沸 点极小值。②、③两种由于实际系统严重偏离了拉乌尔定律，②项负偏差很大， 在相图上有沸点极大值，③项的正偏差很大，会产生沸点极小值，后面两种混合 物情况，难以用精馏的方式将两种液体分离开②。 相律，是研究相平衡的基本规律，表示平衡物系中的自由度数，相数及独立 组分数之间的关系。其最普遍的表达式为f = N − R − R’ − P + 2 = C − P + 2。N、 P 分别表示描述体系的物种数和相数。 f 为自由度数, 即保持体系相数及相态不变 的情况下, 体系可以独立改变的强度变量数。C 为组分数, 即可以表达平衡体系 所有相的最小物种个数③~④。 相图是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相 的状态是平衡状态。为了确定二组分完全互溶混合物系统的相图，根据上面相律 所述，控制溶液的压力，测定在一定要下的沸点和组成，作 T（温度）—x（组成） 图像。在确定相图之后，对于确定该两种液体的混合物，通过测定沸点可以查看 其组成，也可测定其组成了解其在一定温度下的相态。 本实验中，在常压下测定物质的沸点，通过折光率来确定混合物气相和液相 的组成，即可以作出完整相图。 折光率定义：n = c1/c2,其中c表示在不同介质里的光速。物质的折光率因温 度或光线波长的不同而改变，透光物质的温度升高，折光率变小；光线的波长越 短,折光率越大。作为液体物质纯度的标准，折光率比沸点更为可靠。在蒸馏两种 或两种以上的液体混合物且当各组分的沸点彼此接近时，那么就可利用折光率来 确定馏分的组成。因为当组分的结构相似和极性，混合物的折光率和物质的量组 成之间常呈线性关。 2.22.2 实验方法实验方法 2.2.12.2.1 主要仪器及药品主要仪器及药品 仪器沸点仪；WAY-2S 数字阿贝折光仪；超级恒温槽；调压变压器；温度计 （50~100℃，1/10℃）1 支；普通温度计 （0~100℃）1 支；250mL 烧杯 1 只；10mL 针筒、1mL 针筒各 1 只；电吹风 1 只；滴管若干；擦镜布。 试剂环己烷（AR） ；无水乙醇（AR） 。 2.2.22.2.2 实验方法实验方法 ①安装沸点仪，同时将固定超级恒温槽的温度为 30.00℃。沸点仪如图 2 所示，用乙醇环己烷混合溶液的废液洗涤沸点仪，，用电吹风将仪器内部 吹干，如图连接好各部分，从烧瓶的 2 号口倒入纯乙醇（乙醇要浸没加热 丝部分） ，旋好玻璃塞，接通冷凝水，调节调压变压器对其加热。 ②测定折光率。待溶液保持沸腾且温度计读数稳定之后，记录主温度计、 辅助温度计以及主温度计露出烧瓶处的读数。停止加热，用烧杯盛水冷却 烧瓶外表，待冷却至接近室温后，用吹干的滴管分别取残留液（烧瓶中）图 2 沸点仪 和冷凝液测定其在 30.00℃的折光率，每组折光率平行测定 2 次。 （比较两者之间 以及两者与纯环己烷的折光率差别， 若三者在误差允许范围内相等， 则继续实验） 。 ③用注射器向烧瓶中注射 1mL 纯环己烷，按上述步骤测定沸点和折光率（包括冷 凝液和残留液） 。 ④继续向烧瓶注射 3mL、5mL、5mL、7mL…纯环己烷,并按相同方法测定沸点和 折光率，直至冷凝液和残留液的折光率在误差允许范围内相等。 ⑤用废液洗涤装置，电吹风吹干，向烧瓶中加入纯环己烷，按① ~④步骤将环己 烷和乙醇的顺序反过来测定沸点和折光率。 2.2.32.2.3 数据记录和处理数据记录和处理 下表中，表 1 以乙醇为主体，向其中逐步添加环己烷，表 2 以环己烷为主体，向 其中逐步添加乙醇。两表中的组成都已环己烷所占摩尔分数表示。 表 1环己烷（2）-乙醇（1）液态混合物的气-液平衡数据 环环己己烷烷 露茎露茎/ /℃℃主温主温/ /℃℃辅温辅温/ /℃℃ 气气相相折折 气气相相折折 气气相相组组 液液 相相 折折 液液相相折折 液液 相相 温度校正温度校正 /mL/mL 0 0 1 1 3 3 3 3 57.1957.19 57.1957.19 57.1957.19 57.1957.19 78.3178.31 77.0277.02 73.4173.41 70.3370.33 25.925.9 27.327.3 27.827.8 27.327.3 射率射率 1 1射率射率 2 2成成 1.35721.35721.35761.35760 0 1.35981.35981.35981.35980.030.03 1.37431.37431.37411.37410.1980.198 1.38491.38491.38521.38520.3390.339 射率射率 1 1 1.35721.3572 1.35791.3579 1.36121.3612 1.36461.3646 射率射率 2 2组成组成/K/K 1.35721.35720 0351.63351.63 1.35821.35820.0130.013350.32350.32 1.36141.36140.0470.047346.68346.68 1.36471.36470.0870.087343.57343.57 5 5 5 5 9 9 8 8 1010 1010 57.1957.19 57.1957.19 55.38