完全互溶双液系气液平衡相图的绘制
一.实验目的
1.测定常压下环己烷-乙醇二元系统的气液平衡数据,绘制沸点-组成相图。
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.掌握阿贝折射仪的使用方法及原理。
4.了解和掌握沸点仪的测定原理及方法。
5.加深对完全互溶双液系气液平衡相图的理解和增强个人动手能力。
二.实验原理
两种液体物质混合而成的两组分体系称为双液系。根据两组分间溶解度的不同,可分为完全互溶、部分互溶和完全不互溶三种情况。两种挥发性液体混合形成完全互溶体系时,如果该两组分的蒸气压不同,则混合物的组成与平衡时气相的组成不同。当压力保持一定,混合物沸点与两组分的相对含量有关。
恒定压力下,真实的完全互溶双液系的气-液平衡相图(T-x图),根据体系对拉乌尔定律的偏差情况,可分为三类:
(1)一般偏差:混合物的沸点介于两种纯组分之间,如甲苯-苯体系,如图1(a)所示。
(2)最大负偏差:存在一个最小蒸气压值,比两个纯液体的蒸气压都小,混合物存在着最高沸点,如盐酸-水体系,如图1 (b)所示。
(3)最大正偏差:存在一个最大蒸气压值,比两个纯液体的蒸气压都大,混合物存在着最低沸点,如正丙醇—水体系,如图1(c))所示。
对于后两种情况,为具有恒沸点的双液系相图。它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同,因而不能象第一类那样通过反复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离,而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。
为了绘制双液系的T-x相图,需测定几组原始组成不同的双液系在气-液两相平衡后的沸点和液相、气相的平衡组成。
本实验以环己烷-乙醇为体系,该体系属于上述第三种类型。在沸点仪(如图2所示)中蒸馏不同组成的混合物,测定其沸点及相应的气、液二相的组成,即可作出T-x相图。
本实验中气液两相的组成均采用折光率法测定。
折光率是物质的一个特征数值,它与物质的浓度及温度有关,因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。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的溶液,在恒定温度下测其折光图1 二组分真实液态混合物气-液平衡相图(T-x图)
率,作出折光率-组成工作曲线,便可通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的组成。
三.仪器与试剂
沸点仪,阿贝折射仪,调压变压器,超级恒温水浴,温度测定仪,长短取样管。
环己烷物质的量分数x环己烷为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的环己烷-乙醇标准溶液,各种组成的环己烷-乙醇混和溶液。
已知101.325kPa下,纯环己烷的沸点为80.1℃,乙醇的沸点为78.4℃。25℃时,纯环己烷的折光率为1.4264,乙醇的折光率为1.3593。
四.实验步骤
1.环己烷-乙醇溶液折光率与组成工作曲线的测定
调节恒温槽温度并使其稳定,恒温水使阿贝折射仪上的温度稳定在某一定值,测量系列环己烷-乙醇标准溶液在此温度下的折光率。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。
2.无水乙醇沸点的测定
安装沸点仪→侧管加入约20mL无水乙醇→温度计浸入液体→冷凝管通水→1.8-2.0A
电流加热液体→待温度计读数稳定3~5min→记下温度计的读数
3.环己烷沸点的测定
将沸点仪洗净并干燥→侧管加入约20mL环己烷→温度计浸入液体→冷凝管通水→1.8-2.0A电流加热液体→待温度计读数稳定3~5min→记下温度计的读数
4.测定系列浓度待测溶液的沸点和折光率
将沸点仪洗净并干燥→侧管加入约20mL1号溶液→温度计浸入液体→冷凝管通水→1.8-2.0A电流加热液体→倾斜沸点仪使小槽中的气相冷凝液倾回蒸馏瓶(重复三次)→待温度计读数稳定→记下温度计的读数→切断电源→从小槽中取出气相冷凝液→测定折光率→→用烧杯盛水冷却液相→从侧管处吸出少许液相→迅速测定折光率→剩余溶液倒入回收瓶按1号溶液的操作,依次测定2、3、4、5、6、7、8号溶液的沸点和气-液平衡时的气、液相折光率。
五.数据处理
无水乙醇沸点:76.1℃环己烷沸点:79.2℃
1.作出环己烷-乙醇标准溶液的折光率-组成关系曲线
2.根据工作曲线求出各待测溶液的气相和液相的平衡组成,填入表中。以组成
为横轴,沸点为纵轴,绘出气相与液相的沸点-组成(T-X)平衡相图。
六.注意事项
1. 测定折光率时,动作应迅速,以避免样品中易挥发组元损失,确保数据准确。
2.电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热,否则电热丝易烧断,还可能会引起有机液体燃烧;所加电压不能太大,加热丝上有小气泡逸出即可。
3.注意一定要先加溶液,再加热;取样时,应注意切断加热丝电源;
4.每种浓度样品其沸腾状态应尽量一致。即气泡“连续”、“均匀”、冒出为好,不要过于激烈也不要过于慢。
5.先开通冷却水,然后开始加热,系统真正达到平衡后,停止加热,稍冷却后方可取样分析;每次取样量不宜过多,取样管一定要干燥;取样后的滴管不能倒置。
6.阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及(如滴管),擦拭棱镜需用擦镜纸。
七.思考题
1.取出的平衡气液相样品,为什么必须在密闭的容器中冷却后方可用以测定其折射率?
答:因为在敞开的容器中样品在冷却过程中会挥发,即其测定的折射率是样品挥发后的折射率,而密闭的容器测定的折射率即为样品的折射率。
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,使蒸汽还没有到达冷凝小球就冷凝而成为液相。
3.如果要测纯环己烷、纯乙醇的沸点,蒸馏瓶必须洗净,而且烘干,而测混合液沸点和组成时,蒸馏瓶则不洗也不烘,为什么?
蒸馏瓶则不洗也不烘测得的物质的折射率为混合物的折射率,并不是纯物质的折射率。
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:待温度计的读数稳定后,气-液已达到平衡状态。
5.为什么工业上常产生95%酒精?只用精馏含水酒精的方法是否可能获的无水酒精?
答:因为蒸馏所得产物只能获得95%酒精,不可能用精馏含水酒精的方法获得无水酒精。95%酒精和5%的水形成共沸物,在沸点蒸馏时蒸出的仍是同样比例的组分,所以利用精馏的方法不能除去5%的水。工业上无水乙醇的制法是在先在此基础上加入一定量的苯,再进行蒸馏。
6. 沸点测定时有过热现象和再分馏作用,会对测量产生何种影响?
答: 沸点测定时有过热现象和再分馏作时,测定的便不是平衡气液的折光率了。
实验二二元液系气液平衡相图 一、实验目的 1、了解环己烷—乙醇系的沸点—组成图 2、由图上得出其最低恒沸温度及最低恒沸组成(含乙醇%) 3、学会使用数字阿贝折射仪 4、学会使用WTS—05数字交流调压器 二、原理 一个完全互溶双液体系的沸点—组成图,表明在气液二相平衡时沸点和二相成分间的关系,它对了解这一体系对行为及分馏过程都有很大的实用价值。 在恒压下完全互溶双液系的沸点与组分关系有下列三种情况:1、溶液沸点介于二纯组分之间;2、溶液有最高恒沸点;3、溶液有最低恒沸点。 图1表示有最低恒沸点,本次实验图形也像如此的样子,A′LB′代表液相线的交点表示在该温度时互成平衡的二相的成份。 绘制沸点—成份图的简单原理如下:当总成份为X的溶液开始蒸馏时,体系的温度沿虚线上升,开始沸腾时成份为Y的气相生成。若气相量很少,x、y二点即代表互成平衡时液气二相成份。继续蒸馏,气相量逐渐增多,沸点沿虚线继续上升,气液二相成份分别在气相和液相线上沿箭头指示方向变化。当二相成份达到某一对数值x′和y′,维持二相的量不变,则体系气液二相又在此成份达到平衡,而二相的物质数量按杠杆原理分配。 本实验利用回流的方法保持气液二相相对量一定,则体系温度恒定。待二相平衡后,取出二相的样品,用阿贝折光仪测定其折射率。得出该温度下气液二相平衡成份的坐标点,改变体系的总成份,再用上法找出一对坐标点,这样测得若干坐标点后,分别按气相点和液相点连成气相线和液相线,即得T—X平衡图。 三、步骤 1、安装接通仪器,打开冷凝水; 2、加入环己烷20ml,蒸馏至沸腾,待小兜有液体后回流三次,温度平衡2—3分钟基本不变,记下温度,关闭调压器; 3、A组加入乙醇0.5ml,用上法测定温度,然后关闭调压器,取出气相,液相的样品,测其折射率,以后分别加入1.0,2.0,4.0,8.0,12.0ml乙醇;
实验 名称 完全互溶双液系的平衡相图 实验者姓名刘永刚 合作者 姓名 李金梁刘永刚李涛 实验 日期 2011-09-27 室温25.1 ℃气压101.78 Pa 指导 教师 杨静 评语 成绩
实验目的 1. 绘制常压下环己烷-乙醇双液系的T—X图,并找出恒沸点混合物的组成和最低恒沸点。 2. 掌握阿贝折射仪的使用方法。 实验原理 常温下,任意两种液体混合组成的体系称为双液体系。若两液体能按任意比例相互溶解,则称完全互溶双液体系;若只能部分互溶,则称部分互溶双液体系。双液体系的沸点不仅与外压有关,还与双液体系的组成有关。恒压下将完全互溶双液体系蒸馏,测定馏出物(气相)和蒸馏液(液相)的组成,就能找出平衡时气、液两相的成分并绘出T—X图。 通常,如果液体与拉乌尔定律的偏差不大,在T—X图上溶液的沸点介于A、B二纯液体的沸点之间见图2-4-1 (a)。而实际溶液由于A、B二组分的相互影响,常与拉乌尔定律有较大偏差,在T—X图上就会有最高或最低点出现,这些点称为恒沸点,其相应的溶液称为恒沸点混合物,如图2-4-1(b),(c)所示。恒沸点混合物蒸馏时,所得的气相与液相组成相同,因此通过蒸馏无法改变其组成。 图1 完全互溶双液系的相图 本实验采用回流冷凝的方法绘制环己烷-乙醇体系的T—X图。其方法是用阿贝折射仪测定不同组分的体系在沸点温度时气相、液相的折射率,再从折射率-组成工作曲线上查得相应的组成,然后绘制T—X图。
实 验 试 剂 环己烷(A.R);无水乙醇(A.R)。 实验仪器 沸点仪1套;恒温槽1台;阿贝折射仪1台;移液管(1mL,2支;10mL,1支);具塞小试管9支。 实 验 装 置 a b
双液系气-液平衡相图的绘制 一、实验目的 (1)用回流冷凝法测定沸点时气相与液相的组成,绘制双液系相图。找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。 (2)掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。 (3)了解阿贝折射计的构造原理,熟悉掌握阿贝折射计的使用方法。 二、实验原理 2.1液体的沸点 液体的沸点是液体饱和蒸汽压和外压相等时的温度,在外压一定时,纯液体的沸点有一个确定值。 2.2双液系的沸点 双液系的沸点不仅与外压有关,而且还与两种液体的相对含量有关。理想的二组分体系在全部浓度范围内符合拉乌尔定律。结构相似、性质相近的组分间可以形成近似的理想体系,这样可以形成简单的T-x (y )图。大多数情况下,曲线将出现或正或负的偏差。当这一偏差足够大时,在T-x (y )曲线上将出现极大点(负偏差)或极小点(正偏差)。这种最高和最低沸点称为恒沸点,所对应的溶液称为恒沸混合物。 恒定压力下,真实的完全互溶双液系的气-液平衡相图(T -x ),根据体系对拉乌尔定律的偏差情况,可分为3类: (1)一般偏差:混合物的沸点介于两种纯组分之间,如甲苯-苯体系,如图1(a)所示。 (2)最大负偏差:存在一个最小蒸汽压值,比两个纯液体的蒸汽压都小,混合物存在着最高沸点,如盐酸—水体系,如图1(b)所示。 (3)最大正偏差:存在一个最大蒸汽压值,比两个纯液体的蒸汽压都大,混合物存在着最低沸点,如水-乙醇体系,如图1(c))所示。 图1. 二组分真实液态混合物气—液平衡相图(T-x 图) 考虑综合因素,实验选择具有最低恒沸点的乙醇-乙酸乙酯双液系。根据相平衡原理,对二组分体系,当压力恒定时,在气液平衡两相区,体系的自由度为1。若温度一定时,则气液亮相的组成也随之而定。当溶液组成一定时,根据杠 t A t A t A t B t B t B t / o C t / o t / o x B x B x B A B A A B B (a) (b) (c)x ' x '
实验名称:二元液系相图 学院:XXXXXXXXXX 班级:XXXXXXXXX 姓名(学号):XXX(XXXXXXXX) 指导教师:XXX 实验时间:XXXXXXXXXXXXXX
二元液系相图 一、实验目的 1.测定环己烷-乙醇系统的沸点组成图(T-X图)。 2.掌握阿贝(Abbe)折光仪的使用方法。 二、实验原理 两种液态物质以任何比例混合都形成均相溶液的系统称这完全 互中溶双液系。在恒定压力下溶液沸点与平衡的气液相组成的关系,可用沸点-组成图(t-x图)表示。 完全互溶双液系的沸点-组成图可分为两三种: 一种为最简单的情况,溶液沸点介于两个纯组分沸点之间,如图6-1所示。纵坐标表示温度,横坐标表示组分B的摩尔分数(x B,y B)。下面一条曲线表示气液平衡时温度(即溶液沸点)与液想组成的关系,称液相线(T-x线)。上面的线表示平衡温度与气相组成的关系,称气相线(T-y线)。若总组成为Z B的系统在压力p及温度t时达到气液两相平衡,其液相组成为x B气相组成为y B(见图6-1)。 另两种类型为具有恒沸点的完全互溶双液系统气液平衡相图,如图6-2所示。其中(a)为具有低恒沸点相图,(b)为具有高恒沸点相图。这两类相图中气相线与液相线在某处相切。相切点对应的温度称为恒沸温度,对应组成的混合物称恒沸混合物。恒沸混合物在恒沸点达气液平衡,平衡的气、液组成相同。同一双液系在不同压力下,恒沸点及恒沸混合物是不同的。
本实验绘制环己烷-乙醇二元液系的T-X图。其方法为将不同组成的溶液于蒸馏仪中进行蒸馏,沸腾平衡后记下温度,依次吸取少量的蒸馏液和蒸出液。分别用阿贝折光计测定其折射率,然后由环己烷-乙醇的折射率-组成标准曲线或其数据表确定相应组成,从而绘制环己烷-乙醇二元液系相图。 三、仪器和试剂 沸点测定仪;取样管;阿贝折光仪。 环己烷(分析纯);无水乙醇(分析纯);环己烷摩尔分数分别为0.2、0.4、0.6、0.8的乙醇溶液。 四、实验步骤 1.纯液体折光率的测定 分别测定乙醇和环己烷的折光率。 2.标准曲线的绘制 测定环己烷摩尔分数分别为0.2、0.4、0.6、0.8的乙醇溶液的折光率,绘制标准曲线。 3.测定沸点-组成数据 1)安装沸点测定仪。 2)溶液配制。 粗略配制环己烷质量百分数分别为0.05、0.1、0.2、0.45、0.55、0.6、0.7、0.8、0.9等组成的环己烷-乙醇溶液约50ml。
双液系气液平衡相图的绘制 (物化实验得认真做) 一、实验目的 1.用回流冷凝法测定沸点是气相和液相的组成,绘制双液系相图。 2找出恒沸点混合物的组成和恒沸点的温度。掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。 3了解阿贝折射计的构造原理,熟悉掌握阿贝折射计的使用方法。 二、实验原理 1液体的沸点是液体饱和蒸汽压和外压相等时的温度,在外压一定时,纯液体的沸点有一个确定值。但双液系的沸点不仅与外压有关,而且还与两种液体的相对含量有关。 2大多数情况下,T-x曲线将出现或正或负的偏差,当这个偏差足够大的时候,在曲线上将出现极大点或极小点。这种极大点或者极小点就称为恒沸点。 3考虑综合因素,实验选择具有最低恒沸点的乙醇-乙酸乙酯双液系。 4根据相平衡原理,对两组分体系,当压力恒定时,在气液平衡两相去,体系的自由度为1.若温度一定时,则气液两相的组成也随之而定。当原溶液的组成一定时,根据杠杆原理,两相的相对量一定。反之,实验中利用回流的方法保持气液两相相对量一定,测量体系温度不发生改变时,即两相平衡后,取出两相的样品,用阿贝折射计测定气相、液相的折射率,再通过预先测定的折射率-组成工作曲线来确定平衡时气相、液相的组成(即该温度下气液两相平衡成分的坐标点)。改变体系的总成分,再如上法找出另一对坐标点。这样得若干对坐标点分别按气相点和液相点连成气相线和液相线,即得T-x平衡图。 三、实验仪器和试剂 1、实验仪器
沸点仪、阿贝折射仪、调压变压器、温度计两只、干燥小烧杯3只,干燥5ml小试管16只,软木塞若干,擦镜纸 2、实验试剂 无水乙醇(AR)乙酸乙酯(AR)丙酮(C.P)乙醇体积分数为5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%组成的乙醇-乙酸乙酯溶液。 四、实验过程 1、将干燥的沸点仪安装好。从侧管加入约20mL5%混合液于蒸馏瓶内,并使温度计浸入液体内。冷凝管接通冷凝水。将稳流电源电压调至13V左右,使加热丝将液体加热至缓慢沸腾。最初在冷凝管下端内的液体不能代表平衡气相的组分,为加速达到平衡,可以等转折处液体收集较多时,倾斜装置是冷凝液体流回至圆底烧瓶,重复三次,待温度计的读数稳定后应再维持3~5min,以使体系达到平衡。记下温度计的读数,即为该混合液的沸点。同时读出环境的温度;算出露茎温度,以便进行温度的校正。 2、切断电源,停止加热,用吸管从小槽中取出气相冷凝液,同时用另一只干燥胶头滴管,从侧管处吸取容器中的溶液约1~2ml,分别转移到两只干燥的小试管中,立即塞紧。两只小试管置于盛有冷水的小烧杯中保持待测,以防组分改变。测定各自的折光率。将沸点仪的剩余溶液倒入回收瓶。按5%混合液的操作,依次测定10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%混合液的沸点和气-液平衡时的气、液相折光率,同时直接测量乙醇(AR),乙酸乙酯(AR)的折光率(无须测定沸点) 3、折光率的测定先用去离子水测定阿贝折射计的读数校正值(水的折射率为 1.3325)。分别测定上面取的气相和液相样品的折射率。每次加样要测读数2次,取其平均值,并用水读数校正和温度读数校正,即为所测样品在该温度的折射率,每次加样测量之前,必须先将折光仪的棱镜面洗净,方法是用数滴丙酮淋洗,再用擦镜纸轻轻拭去残留在镜面上的溶剂,阿贝折射计在是用完毕后也必须将镜面处理干净。 五、实验分析和数据处理 1、实验注意事项 (1)测定折光率时,动作应迅速,以避免样品中易挥发组元损失,确保数据准确。
`` 实验2 双液系的气液平衡相图 唐盛昌2006011835 分6 同组实验者:徐培 实验日期:2008-10-9,提交报告日期:2008-10-23 带实验助教:尚培华 1 引言(简明的实验目的/原理) 实验目的: 1.用沸点仪测定在常压下环已烷—乙醇的气液平衡相图。 2.掌握阿贝折射仪的使用方法。 实验原理: 将两种挥发性液体混合,若该二组分的蒸气压不同,则溶液的组成与其平衡气相的组成不同。在压力保持一定,二组分系统气液达到平衡时,表示液态混合物的沸点与平衡时组成关系的相图,称为沸点和组成(T-x)图。沸点和组成(T-x)的关系有下列三种:(1)理想液体混合物或接近理想液体混合物的双液系,其液体混合物的沸点介于两纯物质沸点之间见图5—1(a);(2)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的负偏差,其溶液有最高恒沸点见图5—1(b);(3)各组分蒸气压对拉乌尔定律产生很大的正偏差,其溶液有最低恒沸点见图5—1(c)。第(2)、(3)两类溶液在最高或最低恒沸点时的气液两相组成相同,加热蒸发的结果只使气相总量增加,气液相组成及溶液沸点保持不变,这时的温度称恒沸点,相应的组成称恒沸组成。第一类混合物可用一般精馏法分离出这两种纯物质,第(2)、(3)类混合物用一般精馏方法只能分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。 图1 沸点组成图 为了测定二元液系的T-x图,需在气液达到平衡后,同时测定溶液的沸点、气相和液相组成。 本实验是测定具有最低恒沸点的环己烷—乙醇双液系的T-x图。方法是用沸点仪(图2)直接测定一系列不同组成之溶液的气液平衡温度(即沸点),并收集少量馏出液(即气相冷凝液)及吸取少量溶液(即液相),分别用阿贝折射仅测定其折射率。为了求出相应的组成,必须先测定已知组成的溶液的折射率,
4.3 完全互溶的双夜系相图 4.3.1 二组分系统的相律的应用 最多可有四相平衡共存,是无变量系统。 最多可有三个自由度-T ,p ,x 均可变,属三变量系统。因此,要完整的描述二组分系统相平衡状态,需要三维坐标的立体图。但为了方便,往往指定一个变量固定不变,观察另外两个变量之间的关系,这样就得到一个平面图。如: 保持温度不变,得 p-x 图 较常用 保持压力不变,得 T-x 图 常用 保持组成不变,得 T-p 图 不常用。 若保持一个变量为常量,从立体图上得到平面图。相律 单相,两个自由度。 最多三相共存。 二组分系统相图种类很多,以物态来区分,大致分为: 完全互溶双液系 气-液平衡相图 部分互溶双液系 完全不互溶双液系 具有简单低共熔混合物 稳定化合物 有化合物生成 不稳定化合物 固-液平衡相图 固相完全互溶 固相部分互溶 固相部分互溶 等 C 2C 24= f Φ+=Φ =--min max 1 3Φf ==min max 0 4 f Φ==213f ΦΦ *=-+=-*min max 1 2Φf ==*max min 3 0 Φf ==