双液系气液平衡相图的绘制
班级：09应化 姓名：杨浩 学号：20095052017 指导教师：栗印环
一、实验目的
1、测定在
下环己烷-乙醇双液系的气-液平衡相图，了解相图和相率的基本概念；
2、掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法；
3、掌握用折光率确定二元液体组成的方法。
二、实验原理
1、气-液相图：
液体的沸点是指液体的蒸汽压与外界压力相等时的温度。
测定一系列不同配比溶液的沸点及气液两相的组成，就可绘制气-液体系的相图。
2、组成分析：
可用折光率-组成工作曲线来测得平衡体系的两相组成。
三、实验仪器及试剂
沸点测定仪 1只 水银温度计 1支
调压变压器 1只 超级恒温水浴 1台
数字式Abbe折光仪（棱镜恒温） 1台
玻璃漏斗（直径5cm） 1只 长滴管 10支
带玻璃磨口塞试管（5mL） 4个 烧杯（50mL，250mL） 各1 个
环己烷（分析纯） 无水乙醇（分析纯）
重蒸馏水
实验室预先配制环己烷-乙醇系列溶液，以环己烷摩尔分数计大约为0.05、0.15、0.30、0.45、0.50、0.65、0.80和0.95。
四、实验步骤
1、标准曲线的绘制（实验室已提前绘制好）。
2、安装沸点仪
根据图1所示，将已洗净、干燥的沸点仪安装好。检查带有温度计的软木塞是否塞紧。电阻丝要靠近烧瓶底部的中心。温度计水银球的位置应处在支管之下，但至少要高于电热丝2cm。
3、测定混合物的沸点
1)借助玻璃漏斗由支管加入0.05组成的混合液，使液面达到温度计水银球的中部，注意使电热丝达到温度计水银球的中部。打开冷却水，接通电源，调节电压为10V左右，慢慢加热，使蒸汽在冷凝管中回流的高度不能超过1/2，温度计读数达到稳定后再稳定3~5min使体系达到平衡，记下此时温度计的读数。
2)切断电源，停止加热，用冷水使沸点仪底部冷却，用干燥的吸管分别吸取冷凝管和圆底烧瓶底部的冷凝液，在数字式阿贝折光仪上分别测定两者的折光率，并由标准曲线读出对应的组成，此数值可认为分别是气相和液相的组成，测定完后将溶液倒入指定的储液瓶里。
3)按上述步骤分别测组成为摩尔百分比为0.15，0.30，0.45，0.50，0.65，0.80，0.95的环己烷-乙醇混合物在沸点下的气相和液相的组成。
4、用测定的数据绘制T-x图
五、数据处理
绘制的T-x图如下：
六、注意事项
1、电热丝及其接触点不能露出液面，一定要浸没在待测液内，否则通电加热会引起有机溶剂燃烧。
2、读取溶液沸点和停止加热准备测定折光率时，一定要使体系达到气液平衡。取样分析后，吸管不能倒置。
3、 严格控制加热电压，只要能使液体沸腾即可。过大的电流，会引起待测液燃烧或烧断电阻丝，甚至烧坏变压器。
4、测定折射率的时候一定要迅速，以防止由于挥发而改变其组成。
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：因为过热时将导致液相线向高温处移动，气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点会向易挥发组分那边偏移。所以要在密闭容器中冷却。
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、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?
答：测试纯样时，如沸点仪不干净，所测得沸点就不是纯样的沸点。测试混合样时，其沸点和气、液组成都是实验直接测定的，绘制图像时只需要这几个数据，并不需要测试样的准确组成，也跟式样的量无关。
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表示气－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：因为种种原因在此条件下，蒸馏所得产物只能得95%的酒精。不可能只用精馏含水酒精的方法获得无水酒精，95%酒精还含有5%的水，它是一个沸点为的共沸物，在沸点时蒸出的仍是同样比例的组分，所以利用分馏法不能除去5%的水。工业上无水乙醇的制法是先在此基础上加入一定量的苯，再进行蒸馏。
第二篇：双液系的气液平衡相图4
双液系的气液平衡相图
1. 引言
1.1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。
1.2 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，作出折射率对组成的工作曲线，在此曲线上即可查得对应于样品折射率的组成。
沸点仪的种类很多，图2所示是一种带有电阻丝加热的沸点仪。沸腾的溶液由喷嘴喷向温度计，因此可以测得蒸气与液相平衡的温度。气相经冷凝后贮存在小泡内。
图2 沸点仪
1 水冷却入口，2 气相冷凝液贮存小泡，3 温度计，4 喷嘴，5 电炉丝，6 调压器
2. 实验操作
2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图
1.仪器
沸点仪、调压器、阿贝折射仪（编号 00011887）
SL-1超级恒温槽、1／10℃温度计、酒精温度计、滴管、放大镜。
2.药品
环己烷（分析纯；20℃时密度：0.778-0.779g/ml；Mr=84.16）、
无水乙醇（分析纯；20℃时密度：0.789-0.791g/ml；Mr=46.07)
各种浓度的环已烷—乙醇混合溶液。
2.2 实验操作步骤及方法要点
1．测定溶液的折射率
用阿贝折射仪测定环己烷、无水乙醇以及由环已烷—乙醇组成的标准溶液的折射率，作折射率对组成的工作曲线。折射仪使用方法见仪器5。
2．检查待测样品的浓度
在通电加热之前，检查沸点仪内的待测样品的浓度是否合适。若浓度不符合要求，则加环己烷或乙醇调正。
3．测定液相和气相组成
分别测定质量百分数为0％、10%、30％、70％、90％、96％、100％的环已烷—乙醇溶液在沸点下的液相和气相的组成。测定方法如下：
接通电源，通冷却水，按要求调节调压器，加热溶液至沸腾。待其温度计上所指示的温度保持恒定后，读下该温度值，同时停止加热，并立即在小泡中取气相冷凝液，迅速测定其折射率，冷却液相，然后用滴管将溶液搅均后取少量液相测定其折射率。若认为数据不可靠，重复上述操作。注意：每次测量折射率后，要将折射仪的棱镜打开晾干，以备下次测定用。
4．绘图
由实验数据(温度可先不校正)绘制沸点——组成草图，根据图形决定补测若干点数据。
5．注意事项
1）加热电阻丝的电压不得超过40V,初步沸腾后改至30V。
2）一定要使体系达到气液平衡即温度稳定后才能取样分析。
3）取样后的滴管不能倒置。
4）取气相冷凝液的同时，停止加热。待被测液相溶液冷却后测其折射率。
5）使用阿贝折射仪时，棱镜行不能触及硬物（特别是滴管）。棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头。实验中必须使用同一台阿贝折射仪。
6）实验过程中必须在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。
3. 结果与讨论
3.1 原始实验数据
1) 原始实验测量数据
以下数据测定过程中阿贝折射仪（恒温槽）温度为24.5℃。
(a)环己烷—乙醇标准溶液组成与折射率的测量数据
表2 环己烷—乙醇标准溶液组成与折射率测量原始数据
(b)双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据
表3 双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据
2) 实验相关数据记录
表4 实验相关数据（文献值）
3.2计算的数据、结果
1) 环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线
将表2中的数据用作图法表示出来，可得到环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线。结果如下一页图3所示：
图3环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线
由图中曲线可知，我们的第6个点明显偏离曲线，误差太大，应该舍去，所以我们排除了这个数据后重新作图如下图4.
图4环己烷—乙醇标准溶液的组成——折射率工作曲线（修正后）
对比两图课明显发现线性提高，更加准确了。
通过回归分析，可得标准曲线的方程为：y = 0.0651x + 1.3605，其R2 = 0.989。根据此式可以利用折射率数值求得溶液的组成。
2) 双液系平衡温度、液相和气相组成的测量数据的计算和处理
温度校正公式为：t’= t0+ K· n· (t0-ts)．其中K=0.00016。气相和液相环己烷质量分数可通过所得的工作曲线方程y = 0.0651x + 1.3605求得。
把气液两相平衡时的各个数据计算处理列入表格内，结果汇总见下表5：
表5 进行计算和校正后的数据汇总
3) 利用所得数据作环己烷—乙醇体系的沸点——组成图
将表5中的数据作图，可得环己烷—乙醇体系的沸点——组成图（见下图4）
图5环己烷—乙醇体系的沸点——组成图
根据上页中图5中环己烷—乙醇体系的沸点——组成图，可求得：
最低恒沸点约为64.55℃。
相应的恒沸混合物的组成（环己烷质量分数）约为0.687（即68.7%）。
3.3讨论分析
1) 结果分析
由文献值（见表4）可知：环己烷沸点为80.74°C，乙醇的沸点为78.32°C，环己烷—乙醇体系的最低恒沸点为64.90°C，恒沸物组成为69.50%（环己烷质量分数）。
本次实验中的测得结果（校正后）分别为80.14°C（环己烷），77.96°C（乙醇）和64.55°C（最低恒沸点），68.7%（恒沸物组成）。测定结果与文献值的相对误差为
ε（环己烷沸点）= (80.74-80.14)/80.14×100%=0.75%
ε（乙醇沸点）= (78.32-77.96)/77.96×100%=0.46%
ε（最低恒沸点）= (64.55-64.85)/64.55×100%=0.47%
ε（恒沸物的组成）= (0.695-0.687)/0.687×100%=1.16%
由于本次实验测定条件与文献值测定不同，且测定值与文献值之间的偏差是比较小的，处在合理的范围之内，说明本次测量的结果较为可靠。
2) 误差分析
(a) 温度测量与校正
温度测量时由于是目测读数，且温度计较为粗糙，会造成一定的误差。
在进行温度校正的过程中，我们用尺子测量仪器口到温度计水银面的距离，转化成温度。由于自带尺子精度不够，且操作比较困难，无法做到太精确，必将引入误差。
(b) 折射率测量
在使用阿贝折射仪测量过程中，调整色散的过程和读数过程均为人眼观测，均会引入误差，此外仪器本身也存在误差。虽然采用恒温槽使得阿贝折射仪的棱镜处于恒温状态，但其他仪器的实验条件很可能出现改变。这其中包括环境温度和气压的改变导致沸点仪所处环境的改变。
(c) 测量体系的改变：
在测量稳定组成溶液折射率时，从沸点仪取样的过程中，以及进行折射率测量时，体系会有微量蒸发，从而使得体系的组成发生变化，即所测得的组成与液相和气相的实际组成不完全一致。此外，由于气相的回流，液相中避免不了会混入少量气相，造成误差。
3) 本次实验的总结与体会
本次物化实验总得来说还是比较成功的，误差在一个比较小的范围内，实验过程也没有遇到太多的挫折。可是，实验中仍然出现了不少的问题。首先就是不会开关冷凝水，弄得实验室水漫金山。其次是对实验的理解不够深入，在测量器外温度时由于不清楚其具体作用，纠结了半天如何测量及换算，浪费了大量时间。最后是测量时不够精确也没有反复测量，使得最后的相图不是特别完美。
另外，要感谢助教细心的指导和帮助，对于我们问题的耐心解答，没有他的帮助，我们也无法顺利地完成实验。尤其感谢助教对于我们没有带坐标纸这个错误的理解，让我们回去画相图，解了我们的窘困。
4. 结论
本次实验测得在常压下环已烷—乙醇的气液平衡相图（图5）。
由相图可求得环己烷—乙醇体系的最低恒沸点为：64.55℃。
相应的恒沸混合物的组成（环己烷质量分数）约为0.687（即68.7%）。
本实验的结果与文献值相比误差较小，证实了利用此方法测定环已烷—乙醇的气液平衡相图的可行性与准确性。
5. 思考题
1．使用阿贝折射仪时要注意些什么问题？如何正确使用才能测准数据？
答：用阿贝折射仪时要注意的问题主要有一下几点：
（1）实验中必须使用同一台阿贝折射仪
（2）使用阿贝折射仪时，应将折光仪置于光线充足的地方，调整反光镜到最佳位置
（3）棱镜行不能触及硬物（特别是滴管）。
（4）棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头。
（5）进行读数时每一次移动棱镜的方向应该一致。
为测准折射率数据，阿贝折射仪的正确使用方法为：将被测液体用干净滴管加在折射棱镜表面，并将进光棱镜盖上，用手轮锁紧，要求液层均匀，充满视场，无气泡。调节目镜视度和聚光镜的角度，使十字线成像清晰，此时旋转手轮，并在目镜视场中找到明暗分界线的位置，再旋转手轮使分界线不带任何彩色，微调手轮，使分界线位于十字线的中心，此时目镜视场下方显示的示值即为被测液体的折射率。读数时，应准确至小数点后第四位，即需要估读一位。每组测量应反复进行至少三次测定后，取平均值记录。
2．收集气相冷凝液的小泡D的体积太大，对测量有何影响？
答：小泡D的体积太大会造成泡内的溶液发生分馏，即溶液浓度随着气相的冷凝而不断变化，进而引成沸点不稳定，测量时间延长。且溶液的组成最终可能会发生较大变化，造成液相组成向恒沸混合物靠近，这将使数据点集中在恒沸混合物的组成附近，导致绘图不精确。
3．平衡时，气液两相温度应该不应该一样？实际是否一样？怎样防止温度的差异？
答：两相温度应该一样。实际上由于加热只局限在溶液，气相温度由于散热温度会偏低。在允许范围内适当提高加热功率，可以提高沸点仪内气液流动循环速率，有利于保持温度恒定。
4．沸腾之后，如何控制条件使温度稳定？
答：使温度稳定应通过调节电压来实现。电压不能过高，以免发生爆炸；但也不能过低，否则喷嘴喷射频率过低，可能使温度计水银球处的温度出现波动，不够稳定，影响测量结果。调节电压使温度计的示数基本恒定即可。
6. 参考文献
[1]朱文涛 编著 物理化学 清华大学出版社
[2]清华大学化学系物理化学实验编写组. 物理化学实验. 北京：清华大学出版社. 1991.53~58
[3]Ed. by Robert C. Weast. Handbook of Chemistry and Physics, 58th Ed. Ohio CRC Press, 1977