实验七十五 双液系的气-液平衡相图
预习提问：
1.本实验为什么要用到阿贝折光仪？
2.安装仪器应该注意什么？
3.每组实验的仪器都需要干燥吗？为什么？
4.各组实验所加样品的量需要很精确吗？为什么？
5.实验过程中怎样控制沸点，使其稳定？
6.在测定沸点时，溶液过热或出现分馏现象，将使绘出的相图图形发生变化？
7.试分析一下该体系的条件自由度为多少？
8.恒沸点是什么？是什么因素引起的？
9.如何绘制该平衡相图？
10.沸点的定义？
答案：
1.用阿贝折光仪测得各组分的折射率，在标准曲线上找出对应组分的浓度。
2.安装仪器时，应检查装置的气密性；电热丝应完全浸入到溶液中且不接触器壁；温度计应稍远离电热丝，温度计也要深入到溶液中，且不接触器壁；检查进出水口的接管是否接好，控制水的流速；加热时，应控制电压大小。
3.只有测量纯的环己烷和纯的乙醇的沸点时才需要完全干燥，因为其他组是在纯的环己烷或是乙醇的基础上加的试剂，无需再重复干燥。
4.不需要很精确。因为浓度不是通过所加样品的计算出来的，而是通过测各组分的折射率在标准工作曲线上找出来的。
5.实验过程中应该控制冷凝管水的流速及电压的大小，减少气体的蒸发，这样才能使系统更好的达到平衡，沸点才会稳定。
6.过热或出现馏分将使测得的沸点偏高，使相图向上移动。
7.该体系的自由度=独立物种数-相数+2=2-2+2=2
8.恒沸点是体系在T-X图上存在的极值。这是由于实际体系与拉乌尔（Raoult）定律存在很大的偏差引起的。
9.首先利用已知的数据绘制标准的折射率-组成图，利用实验测得的不同组分的气液相得折射率在标准图上找出对应的浓度，再根据每组实验测得的沸点与浓度做
出该双液系的气-液平衡相图。
10.液体的蒸汽压等于外压时的温度。
思考题：
1. 简述由实验绘制环己烷-乙醇气-液平衡T-x相图的基本原理。
2. 在双液系的气-液平衡相图实验中，作环己烷-乙醇的标准折光率-组成曲线的目的是什么？
3. 用精馏的方法是否可把乙醇和环己烷混合液完全分离，为什么？
4. 测定纯环己烷和纯乙醇的沸点时，沸点仪中有水或其它物质行吗？
5. 为什么工业上常生产95％酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获得无水酒精？
6. 在双液系的气-液平衡相图实验中，如何判断气-液相达平衡状态？
7. 在双液系的气-液平衡相图实验中，每次加入沸点仪中的环己烷或乙醇是否应按记录表所规定的体积精确计量？为什么？
8. 在双液系的气-液平衡相图实验中，在测定沸点时，溶液出现分馏现象，将使绘出的相图图形发生什么变化？
9. 在双液系的气-液平衡相图实验中，蒸馏器中收集气相冷凝的小球大小对结果有何影响？
10. 在双液系的气-液平衡相图实验中，通过测定什么参数来测定双液系气-液平衡时气相和液相的组成？
11. 在双液系的气-液平衡相图中，如何通过测定溶液的折光率来求得溶液的组成？
12. 什么是恒沸点？双液系相图中包含了哪些区域、哪些线和哪些重要的点？各部分的自由度为多少？
13. 在双液系的气-液平衡相图实验中，为何要多次将小球中的液体倾倒回烧瓶中？
14. 在双液系的气-液平衡相图实验中，如果将沸点仪过度倾斜使小球中凝聚液体太多，会对测定产生什么影响？
15. 在双液系的气-液平衡相图实验中，主要误差来源是什么？
16. 用阿贝折光率仪测定液体折光率时要经过哪几步调节？测定时无法调出明暗界面，可能的原因是什么？
17. 在双液系的气-液平衡相图实验中，测定工作曲线时折光率的恒温温度与测定样品时折光率的恒温温度是否需要保持一致？为什么？
18.本实验选用环己烷和乙醇的原因？
19. 在双液系的气-液平衡相图实验中，所用的蒸馏器尚有那些缺点？如何改进？
20. 在双液系的气-液平衡相图实验中，使用的样品溶液能否重复使用？
答案：
1.通过测定不同沸点下组分的气、液相的折射率，在标准的工作曲线上找出该折射率对应的浓度，结合其沸点画出平衡相图。
2.作标准曲线的目的是通过测气、液相相得折射率从而在标准工作曲线上找出对应的浓度。
3.不能完全分离。因为环己烷-乙醇二组分具有最低恒沸点。
4.有水和其他物质都是不行的。因为有水和其他物质会使所测组分改变，折射率发生变化。
5.因为水-乙醇二组分具有最低恒沸点，所以工业上常生产95%的酒精。用精馏的方法无法获得无水酒精，只能获得95%的酒精。
6.观察贝克曼温度计的读数，如果读数稳定3-5分钟，说明已达平衡状态。
7.不需要按记录表的加。因为组分的浓度不是按所加物质的量计算得来的，而是通过测折射率间接得到的。
8.出现馏分将使测得的沸点偏高，使相图向上移动。
9.小球太小难以收集气相，小球太大，小球内的组分更新太慢，产生馏分，导致实验误差。
10.通过测定组分的折射率来测定双液系气-液平衡时气相和液相的组成。
11.通过测得的折射率在标准曲线上找出对应的浓度，根据浓度与测得的沸点作出平衡相图。
12.恒沸点是体系在T-X图上存在的极值。包含液相区、气相区、气-液平衡相区；纯乙醇的沸点、纯环己烷的沸点、最低恒沸点。液相区和气相区的自由度均为2，气-液平衡相区的自由度为1。
13.防止小球内的液体沉积，出现馏分，造成实验误差。
14.过度倾斜可能使小球内的液体更新太慢，出现馏分，造成实验误差。
15.给双液系加热而产生的液相的组成并不固定，而且加热的时间长短并不固定，因此使测定的折射率产生误差；温度计的位置并不固定，测得的温度有差异；测量过程中取液后停留的时间不一样，气体的挥发程度不一样，导致的测量误差；还有不同的人观测时分辨颜色的程度不一样，同一个人在不同的环境下读的值也不一样，导致的读数误差。。
16.将待测液均匀的滴到工作镜面上后，首先调节调节手轮使视野中出现明暗交界，然后调节目镜，使交叉线最为清晰，接着调节色散校准手轮使明暗交界线的色差尽量小，最后调节调节手轮使明暗交界线对准交叉点，调好后就可以按“read”键读数了。
17.两者的恒温温度需要保持一致。因为在不同温度时测得的折射率是不一样的，而书本给出的是30℃时浓度与折射率的关系，本实验需要利用该曲线找出所测折射率对应的浓度。
18.因为两者折光率相差颇大，而折光率测定又只需要少量样品，所以，可以用折光—组成工作曲线来测定平衡体系的两相组成。
19.蒸馏器收集气相、液相的球大小没有设计好，应根据实验所用溶液的量来设计球的规格；温度计与电热丝靠的太近，可以把装液相的球设计小一点，使温度计稍微短一点也能浸到液体中，增大与电热丝的距离；橡胶管与环境交换热量太快，可以在橡胶管外面包一圈泡沫，减少热量的散发。
20.使用的样品不能重复使用，因为需要测定纯乙醇和纯环己烷的沸点，用使用过的样品无法测定纯组分沸点。
书后思考题：
1.在该实验中，测定工作曲线时折光率的恒温温度与测定样品时折光率的恒温温度是否需要保持一致？为什么？
2.在实验中，样品的加入量应十分精确吗？为什么？
3.为什么工业上常生产95%酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获得无水酒精？
4.试估计哪些因素是本实验的误差主要来源？
答案：
1.两者的恒温温度需要保持一致。因为在不同温度时测得的折射率是不一样的，而实验需要的得到30℃时浓度与折射率的关系。
2.样品的加入量不需要十分精确。因为每一组中气液相的浓度均是由测得的折射率在标准曲线上读得的。
3.因为水-乙醇二组分具有最低恒沸点，所以工业上常生产95%的酒精。用精馏的方法无法
获得无水酒精，只能获得95%的酒精。
4.给双液系加热而产生的液相的组成并不固定，而且加热的时间长短并不固定，因此使测定的折射率产生误差；温度计的位置并不固定，测得的温度有差异；测量过程中取液后停留的时间不一样，气体的挥发程度不一样，导致的测量误差；还有不同的人观测时分辨颜色的程度不一样，同一个人在不同的环境下读的值也不一样，导致的读数误差。
选择题：
1.两种在常温时为液态的物质混合起来而成的二组分体系为（）。答案：A
A、双液系 B、三液系
C、多液系 D、溶液
2.若两液体按任意比例互相溶解，称为（）双液系。答案：B
A、部分互溶 B、完全互溶
C、完全不互溶 D、不完全互溶
3.在双液系的气——液平衡相图实验中，体系的沸点——组成图中，横坐标是（），纵坐标是（）。答案：D
A、组成、折射率 B、沸点、组成
C、折射率、组成 D、组成、沸点
4.最低恒沸点M代表的组成为（）。答案：B
A、气、液两相组成 B、恒沸混合物的组成
C、液相的组成 D、气相的组成
5.绘制沸点——组分曲线，要求同时测定溶液的（）及（）的组成。答案：A
A、沸点、气液平衡两相 B、沸点、气相
C、沸点、液相 D、、液相
6.在双液系的气——液平衡相图实验中，用（）间接测定平衡气、液相组成的。答案：B
A、红外分光光度计 B、阿贝折光仪
C、紫外分光光度计 D、电导仪
7.在30℃时乙醇——环己烷的标准折光率-组成曲线图中，横坐标是（）， 纵坐标是（）。答案：A
A、组成、折射率 B、温度、折射率
C、沸点、折射率 D、折射率、组成
8.用阿贝折光仪测得的是组分的（）。答案：C
A、沸点 B、浓度
C、折射率 D、电导率
9.测纯组分沸点时，仪器（）干燥，测乙醇与环己烷的混合溶液的沸点时，仪器（）干燥。答案：D
A、需要、需要 B、不需要、需要
C、不需要、不需要 D、需要、不需要
10.视野中出现（），说明阿贝折光仪是调好的。答案：C
A 、顶部暗、底部暗 B、顶部亮、底部亮
C 、顶部亮、底部暗 D、顶部暗、底部亮
11.本清洗阿贝折光仪的试剂是（）。答案：B
A.环己烷 B.乙醇
C.水 D.乙醚
12.恒温水浴箱的作用是（）。答案：B
A.恒定环境温度 B.恒定阿贝折光仪的温度
C.恒定沸点仪的温度 D。清洗仪器
13.本实验绘出的相图中包含（）个区？答案：C
A.1 B.2
C.3 D.4
14.本实验需要把阿贝折光仪的温度控制在（）摄氏度。答案:B
A .20 B.30
C.40 D.50
15.测定气、液组分时，用滴管从（）取气相、从（）取液相。答案：D
A.加液口、冷凝管管口 B.加液口、加液口
C. 冷凝管管口、冷凝管管口 D.冷凝管管口、加液口
16.沸点测定仪中，温度计（）深入到溶液中，电热丝（）深入到溶液当中。答案：D
A .需要、不需要 B. 不需要、需要
C .不需要、不需要 D.需要、需要
17.移取气相组分的滴管（）干净、干燥，移取液相组分的滴管（）干净、干燥。答案：A
A .需要、需要 B不需要、不需要.
C .需要、不需要 D.不需要、需要
18.数据处理中，气相浓度是通过（），液相浓度是通过（）。答案：B
A .计算加进去的物质的量得到的、计算加进去的物质的量得到的
B.测组分的折射率间接得到的、测组分的折射率间接得到的
C.测组分的折射率间接得到的、计算加进去的物质的量得到的
D.计算加进去的物质的量得到的、测组分的折射率间接得到的
19.降低明暗交界线色差的是（）。答案：A
A .色散校正手轮 B.调节手轮
C .目镜 D.聚光灯
20.测量折射率时，待测组分均匀滴在（）上。答案：C
A .上镜面 B.上、下镜面
C .下镜面 D.聚光灯
第二篇：实验六 双液系的气—液平衡相图(更新)
实验六 双液系的气—液平衡相图
一、实验目的
1、绘制在标准压力下乙醇-正丙醇体系的沸点组成图;
2、熟练掌握测定双组分液体沸点的方法及用折光率确定二组分物系组成的方法;
3、掌握超级恒温槽、阿贝折射仪、气压计等仪器的使用方法。
二、实验原理
1、相图
任意两个在常温时为液态的物质混合起来组成的体系称为双液系。两种溶液若能按任意比例进行溶解，称为完全互溶双液系，如环已烷-乙醇、正丙醇-乙醇体系都是完全互溶体系。若只能在一定比例范围内溶解，称为部分互溶双液系，例苯-水体系。
在完全互溶双液系中，有一部分能形成理想液态混合物，如苯-甲苯系统，二者的行为均符合拉乌尔定律，但大部分双液系是非理想液态混合物，其行为与拉乌尔定律有偏差。
液体的沸点是指液体的蒸气压与外界压力相等时的温度。在一定外压下，纯液体的沸点有其确定值，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。双液系两相平衡时的气相组成和液相组成并不相同。
通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相和液相的组成作图，所得图形叫双液系的沸点T(或t)-组成(x)图，即T（或t）—x图。它表明了沸点与液相组成和与之平衡的气相组成之间的关系。
在恒定压力下，二组分系统气液达到平衡时，其沸点-组成（t-x）图分三类：
(1)混合液的沸点介于A、B二纯组分沸点之间。这类双液系可用分馏法从溶液中分离出两个纯组分。如苯-甲苯系统，此时混合物的行为符合拉乌尔定律或对拉乌尔定律的偏差不大。如图5-1(a)所示。
(2）有最低恒沸点体系，如环已烷-乙醇体系， t—x图上有一个最低点，此点称最低恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大正偏差，如图5-1(b)所示。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。
(3）有最高恒沸点体系，如氯仿-丙酮体系，t—x图上有一个最高点，此点称最高恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大负偏差，如图5-1(c)所示。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。
(a) (b) (c)
图5-1 二组分系统的沸点-组成图
本实验选择了乙醇—正丙醇体系，其相图见图5-1(a)。
2、绘制沸点-组成图
原理：如图5-1(a)所示，上面一条线是气相线，下面一条线是液相线，对应于同一沸点温度T下的两曲线上的两个点V，L，气液成平衡时的气相点和液相点，其相应的组成可从横轴上获得。因此如果在恒压下对溶液进行蒸馏，在气液达平衡后，同时测定气相组成、液相组成和溶液的沸点就能绘出t—X图。
二组分完全互溶液系达气液两相平衡时，F=2-2-1=1，当温度恒定时，两相（气相、液相）的组成是恒定的，当体系的总组成一定时，由杠杆规则可知，两相的相对量也是一定的。反之，在一定的实验装置中，利用回流的方法保持气、液二相的相对量一定，则体系温度保持恒定，待两相平衡后，取出两相的样品，分析两相的组成，在沸点-组成图上，找出一对坐标点。改变体系总组成，再如上法找出另一对坐标点，这样测得若干对坐标点（T，X,Y），将所有的气相点连起来，所有的液相点连起来，即得到了t-X图。
3、沸点仪
测定沸点的装置叫沸点测定仪(如图5-2所示)。这是一个带回流冷凝管的长颈圆底烧瓶。冷凝管底部有一半球形小室，用以收集冷凝下来的气相样品。电流通过浸入溶液中的电阻丝。这样既可减少溶液沸腾时的过热现象,还能防止暴沸。（因为电热丝的粗表面起沸石作用）测定时，温度计水银球要一半在液面下，一半在气相中，以便准确测出平衡温度。用弯头取样管从气相冷凝小槽中取样分析气相组成，用短管从侧磨口取样分析液相组成。
图5-2沸点测定仪
4、混合物的组成分析
本实验不能直接测出气、液相组成，由于乙醇和正丙醇的折射率相差较大且它们液态混合物的折射率与其浓度呈线性关系，而折光率的测定又只需少量样品，所以，可用折光率-组成工作曲线来求得平衡体系的两相组成。阿贝(Abbe)折光仪的原理及使用详见九仪器的使用。
①先测一系列已知组成的混合物（标准液）的折光率，见表5-1，作n-x的工作曲线。见图5-3。
②测一系列未知液从2号液-----5号液的沸点及液相、气相的折光率及纯正丙醇的沸点，见表5-2。
③在工作曲线上查出对应的组成，填入表5-2。
三、仪器和药品
沸点测定仪 1套阿贝折光仪 1台
调压器 1台长短吸管 各5支
超级恒温槽 1台 温度计（0.1℃） 1支
移液管(1mL)2支 量筒3个 容量瓶9个
正丙醇(分析纯)； 无水乙醇(分析纯)； 镜头纸；
四、实验步骤
1、接通供折射仪用的超级恒温槽电源，调节恒温槽的温度，使其达到实验所需温度。
2、用阿贝折射仪测定纯正丙醇，乙醇及标准液的折光率,填入表5-1。
3、测定沸点-组成数据：
①安装沸点测定仪：将干燥的沸点测定仪按图5-2安装好，检查带有温度计的橡皮塞是否塞紧。加热用的电阻丝要靠近底部中心，温度计的水银球不能接触电阻丝，而且每次更换溶液后，要保证测定条件尽量平行(包括水银温度计和电阻丝的相对位置)。
②测定沸点及平衡时气～液相组成：
先测正丙醇的沸点，再测正丙醇系列溶液的沸点及气、液相组成（从浓度高到低）。
取掉塞子，加入所要测定的溶液(40mL)，其液面以在水银球中部为宜。加入沸石2-3粒，打开冷凝水（开小一点），通电加热，用调压器将电压控制在20-50伏之间至沸腾，控制回流速度为1滴/1-2秒。使蒸气在冷凝管中回流高度不宜太高，以2cm左右为好。如此,沸腾一段时间，待温度稳定后再维持3min～5min以使体系达到平衡，再记录沸点温度。然后停止加热，电压回零。用盛有自来水的250mL烧杯套在沸点测定仪底部使体系冷却至与恒温槽温度相近。用干燥长滴管自冷凝管口伸入小球，吸取其中全部冷凝液。用另一支短滴管由支管吸取圆底烧瓶内的溶液约1mL。上述两者即可认为是体系平衡时气、液两相的样品。分别迅速测定它们的折光率。每个样品测定完毕，应将溶液倒回原瓶，再以相同方法测另一样品，得到一系列不同组成的乙醇—正丙醇的沸点及对应的气—液两相的折光率,填入表5-2中。据这些数据，由工作曲线确定气—液两相的组成。
③实验完毕，回收样品，清洗仪器，注意关电关水！
④记录实验开始时和实验结束时的环境温度和大气压力数值。
五、数据记录及处理
1、压力校正
水银气压计的刻度是以温度等于0℃、纬度45℃海平面的压力为101.325kPa为标准大气压，所以从气压计上直接读出的数值，必须经过仪器校正后才是正确的。
气压计通常用mbar为刻度，1mbar=100pa
我们只对温度进行校正: P0= Pt(1-0.000163t) （5.1）
P0-校正到0℃时的大气压力；Pt-t℃时大气压力，二者的单位都是kpa。
乙醇的沸点按下式计算:
（5.2 ）
式中A=8.32109 ； B=1718.10；C=237.52，t为温度(℃)，D为压力单位的换算因子，其值为2.1249。单位：Pa。
2、经校正后的体系正常沸点应为
t沸= t测+△t压 （5.5）
将实验数据列表：室温： 大气压：
表5-1 乙醇---正丙醇标准溶液的折射率与组成
表5-2 不同组成的乙醇---正丙醇溶液折射率与组成
2、绘制工作曲线，即乙醇---正丙醇标准溶液的折光率与组成的关系曲线，如图5-4所示。
图5-4折射率-组成的工作曲线
3、根据工作曲线确定各待测溶液气相和液相的平衡组成，填入表5-2中，
将各组成的沸点经校正后的填入表5-2中，将计算的两纯组分的沸点，填入表5-2中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的平衡曲线，即双液系相图，如图5-5所示。
图5-5乙醇---正丙醇系统沸点-组成图
六、注意事项
1、由于整个体系并非绝对恒温，气、液两相的温度会有少许差别，因此沸点仪中，温度计水银球的位置应一半浸在溶液中，一半露在蒸气中。并随着溶液量的增加要不断调节水银球的位置。
2、实验中尽可能避免过热现象，为此每加两次样品后，可加入一小块沸石，同时要控制好液体的回流速度，不宜过快或过慢。
3、在每一份样品的蒸馏过程中，由于整个体系的成分不可能保持恒定，因此平衡温度会略有变化，特别是当溶液中两种组成的量相差较大时，变化更为明显。为此每加入一次样品后，只要待溶液沸腾，正常回流１min～２min后，即可取样测定，不宜等待时间过长。
4、每次取样量不宜过多，取样时毛细滴管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相取样口的残液亦要擦干净。
5、整个实验过程中，通过折射仪的水温要恒定，使用折射仪时，棱镜不能触及硬物(如滴管)，擦拭棱镜用擦镜纸。
6、在更换溶液时，务必用滴管取尽沸点仪中的测定液，以免带来误差
七、思考题
1、作乙醇---正丙醇标准液的折光率-组成曲线的目的是什么？
2、每次加入蒸馏瓶中的正丙醇或乙醇是否应按记录表规定精确计量？
3、如何判断已达气-液平衡？
4、收集气相冷凝液的小槽的大小对实验结果有无影响？
5、我们测得的沸点和标准大气压时的沸点是否一致？
6、测定纯正丙醇和乙醇的沸点时为什么要求蒸馏瓶必须是干的，而测定混合液沸点和组成时则可不必将原先附在瓶壁的混合液绝对弄干？