实验四  双液系的气-液平衡相图的绘制

一、目的要求

1.用沸点仪测定大气压下乙醇—环己烷或异丙醇-环己烷双液系气-液平衡时气相与液相组成及平衡温度，绘制温度—组成图，确定恒沸混合物的组成及恒沸点的温度。

2.了解物化实验中光学方法的基本原理，学会阿贝折光仪的使用。

3.进一步理解分馏原理。

二、预习要求

1.理解分馏原理，了解影响双液系气-液平衡的因素。

2.熟悉阿贝折光仪的使用方法，了解折射率与物系组成的关系。

3.掌握如何由实验数据绘制相图的方法。

三、实验原理

两种在常温时为液态的物质混合起来而组成的二组分体系称为双液系。两种液体若能按任意比例互相溶解，称为完全互溶的双液系；若只能在一定比例范围内互相溶解，则称部分互双液系。双液系的气液平衡相图图可分为三类。如图4.1。

图 4.1   二元系统图

    这些图的纵轴是温度(沸点)，横轴是代表液体B的摩尔分数。在图中有两条曲线：上面的曲线是气相线，表示在不同溶液的沸点时与溶液成平衡时的气相组成，下面的曲线表示液相线，代表平衡时液相的组成。

    例如图4.1(a)中对应于温度t₁的气相点为y₁，液相点为，这时的气相组成y₁点的横轴读数是，液相组成点点的横轴读数为。

如果在恒压下将溶液蒸馏，当气液两相达平衡时，记下此时的沸点，并分别测定气相(馏出物)与液相(蒸馏液)的组成，就能绘出此图。

图4.1(b)上有个最低点，图4.1(c)上有个最高点，这些点称为恒沸点，其相应的溶液称为恒沸混合物，在此点蒸馏所得气相与液相组成相同。

四、仪器和药品

    1.仪器

玻璃沸点仪一套；阿贝折光仪一台；WLS系列可调式恒流电源一台；SWJ型精密数字温度计一台；SYC超级恒温槽一台。

2.药品

无水乙醇（AR）或异丙醇（AR）；环己烷（AR）。

五、实验步骤

1.按图4.2连好沸点仪，数字贝克曼温度计,感温杆勿与电热丝相碰。

2.接通冷凝水，用超级恒温槽完成冷凝循环。量取35ml异丙醇从侧管加入蒸馏瓶内，并使传感器浸入溶液3cm左右。将加热丝接通恒流电源，将电流调定1.1A，使电热丝将液体加热至缓慢沸腾，待温度基本恒定后，再连同支架一起倾斜蒸馏瓶，使小槽中气相冷凝液倾回蒸馏瓶内，重复三次（加热时间不宜太长，以免物质挥发），记下乙醇的沸点及环境气压。

图4.2 实验装置

3.依次再加入2、3、6、12ml环已烷，同上法测定溶液的沸点和吸取气、液相并测其折射率。

4.将溶液倒入回收瓶，用吹风机吹干蒸馏瓶。

5.从侧管加入35ml环已烷，测其沸点。

6.依次加入0.3、0.8、1.2、1.6、2ml异丙醇，按上法测其沸点和吸取气、液相并测其折射率。

7.关闭仪器和冷凝水，将溶液倒入回收瓶。

8.用阿贝折光仪测定不同组成标准溶液以及纯异丙醇、纯环己烷的折射率。

六、实验注意事项

1.沸点仪中没有装入溶液之前绝对不能通电加热，如果没有溶液，通电加热丝时，沸点仪会炸裂。

2.一定要在停止通电加热之后，方可取样进行分析。

3.使用阿贝折光仪时，棱镜上不能触及硬物(滴管)，要用专用擦镜纸擦镜面。

七、实验数据及处理

1.将标准溶液的体积百分数按式(4-1)换算成重量百分数，然后以重量百分数对折射率作图。

                      （4-1）

式中V₁、d₁分别代表乙醇的体积及比重。乙醇的比重在20℃为0.7893；V₂、d₂分别代表环己烷的体积及比重，环己烷的比重在20℃时为0.7791。

2.沸点校正。由于温度计的水银柱未全部浸入待测温度的区域内而须进行露茎校正，校正公式如下：

                        （4-2）

                            （4-3）

式中K＝0.00016，n为露出被测体系之外的水银柱长度，为测量温度计上的读数，为环境温度，为校正后的温度。  

3.将由工作曲线查得的气-液二相的平衡组成及校正后的沸点列表并绘制乙醇—环己烷或异丙醇—环己烷的气-液平衡相图。

4.根据相图指出该二元体系的恒沸点的温度及恒沸混合物的组成。

八、思考题

1.沸点仪中的小球的体积过大对测量有何影响?

2.如何判定气-液相已达平衡?

附1  WLS系列可调式恒流电源的使用方法

1.将负载线按颜色插入并略旋紧（地线按需要与正或负连接，也可不连接）。

2.接通电源，打开电源开关。

3.将两线夹短路，调节粗、细调整旋扭，使电流显示所需读数。

4.将负载夹与负载按正负极性相连，此时仪器显示通过负载的电流及两端电压。

附2  阿贝折光仪的使用及说明

1.仪器构造的简单原理

 根据光的全反射原理，光从一种介质进入另一种介质时，由于传播速度不同，会发生折射。根据折射定律，当光线从介质Ⅰ进入介质Ⅱ时，入射角i与折射角r之间有下列关系：

                     （4-4）

式中n₁,n₂,u₁,u₂ 分别为1、2两介质的折射率和光在其中的传播速度，n_1，2是介质2对于介质1的相对折射率。折射率为物质的特性常数，对一定波长的光，在一定温度压力下是一个定值。

由式(4-4)可知，当n₂＞n₁时，则折射角r恒小于入射角i。当入射角i增加到90°时，折射角相应地增加到最大值r_c，r_c称为临界角，此时介质2中从OY到OA之间有光线通过，而OY到OX之间则为暗区，如图4-3。当入射角等于90°时，上式可写成：

                           （4-5）

即在固定一种介质时，临界折射角r_c的大小和折射率有简单的函数关系。阿贝折光仪就是根据这个原理设计的。如图4-4是仪器构造的示意图。它的主要部分为两块直角棱镜P_Ⅰ、P_Ⅱ，棱镜P_Ⅰ的粗糙表面A^，D^，与P_Ⅰ的光学平面镜AD之间约有0.1到0.15mm的空隙，用于装待测液体并使在P_Ⅰ、P_Ⅱ之间铺成一簿层。光线从反射镜射入棱镜P_Ⅰ后，由于A^，D^，面是粗糙的毛玻璃而发生漫射，从各种角度透过缝隙的被测液体，进入棱镜P_Ⅱ中，由前所知，从各个方向进入棱镜P_Ⅱ的光线均产生折射，而其折射角全部落在临界角r_c之内(因为棱镜的折射率大于液体的折射率，因此入射角从0^o到90^o全部光线都能通过棱镜而发生折射)。具有临界角r_c的光线穿出棱镜P_Ⅱ后射于目镜上，此时若将目镜的十字线调节到适当位置，则会见到目镜上半明半暗。

图 4.3 折射角                   图4.4折射仪构造

从几何光学原理可以证明、缝隙中液体的折射率n_液与r_c间的关系为：

            （4-6）

β对一定的棱镜为一常数， n_棱镜在定温下也是个定值。所以液体的折射率n_液是角r_c的函数。由r_c可计算液体折射率。折光仪上已经把读数r_c换算成n_液的值，可直接读出n_液的值。

在指定条件下，液体的折射率因所用单色光的波长不同而不同。若用普通白光作为光源，则由于发生色散而在明暗分界线处呈现彩色光带，使明暗交界不清楚。为了能用白光作光源，故在仪器中还装有两个各由三块棱镜组成的“阿密西”棱镜作为补偿棱镜(上面的一块“阿密西”棱镜可以转动)，调节其相对位置，在适当取向时，可以使从下面的折射棱镜出来的色散光线重新成为白光，消除色带，使明暗界线清楚。此时，用白光测得的折射率即相当于用钠光D线(波长5890Å)所测得的折射率n_D。

    折射率是物质的特性常数之一，它的数值与温度、压力和光源的波长等有关。符号n_D²⁰是指在20℃时用钠光D线作光源时的物质的折射率。温度对折射率有影响。多数液态有机物质当温度每增加1℃时，折射率降低3.5×10^-4到5.5×l0^-4，而固体的折射率和温度的关系没有规律，一般不超过1.0×10^-5。通常，大气压的变化对折射率的数值影响不明显，只有在很精密的工作中才考虑压力的影响。

2.阿贝折光仪的使用(见图4.5)

⑴ 打开棱镜5、6，用擦镜纸将镜面擦洁后，在镜面上滴少量待测液体，并使其铺满整个镜面、关上棱镜。

⑵ 调节反射镜7使入射光线达到最强，然后转动棱镜使目镜出现半明半暗，分界线通过十字线的交叉点，这时从放大镜2即可在标尺上读出液体的折射率。

⑶ 如出现彩色光带，调节消色补偿器，使彩色光带消失，明暗界面清晰。

    ⑷ 测完之后，打开棱镜并用丙酮洗净镜面，也可用吸耳球吹干镜面，实验结束后，除必须使镜面清洁外，尚需夹上两层擦镜纸才能扭紧两棱镜的闭合螺丝，以防镜面受损。

3.阿贝折光仪的标尺零点的校正

阿贝折光仪在使用前，必须先经标尺零点的校正，可用已知折射率的标准液体(如纯水的n_D²⁵＝1.3325)，亦可用每台折光仪中附有已知折射率的“玻块”来校正。可用α—溴萘将“玻块”光滑的一面粘附在折射棱镜5上，不要合上棱镜6，打开棱镜背后小窗使光线由此射入，用上述方法进行测定，如果测得值和此“玻块”的折射率有区别，旋动镜头上的校正螺丝进行调节。

1—目镜          5—棱镜

2—放大镜        6—棱镜

3—恒温水接头    7—反射镜

4—消色补偿器    8—温度计

图4.5  阿贝折光仪外形

第二篇：实验四-双液系的气——液平衡相图的绘制

                                          向港  040940538

                       实验四                 

双液系的气——液平衡相图的绘制

一、实验目的

    1、用沸点仪测定大气压下—环己烷或异丙醇—环己烷双液系气—液平衡时气相与液相组成及平衡温度，绘制温度--组成图，确定恒沸混合物的组成及恒沸点的温度。

    2、了解物化实验中光学方法的基本原理，学会阿贝折光仪的使用。

    3、进一步理解分馏原理。

二、实验原理

   两种在常温时为液态的物质混合起来而组成的二组分体系成为双液系。两种液体若能按任意比例互相溶解，成为完全互溶的双液系；若只能在一定比例范围内互相溶解，则称部分双液系。双液系的气相平衡相图可分为三类。

这些图的纵轴是温度（沸点），横轴是代表液体B的摩尔分数。在图中有两条曲线：上面的曲线是气相线，表示在不同溶液的沸点与溶液成平衡时的气相组成，下面的曲线表示液相线，代表平衡时液相的组成。

三、实验仪器和药品

  1．实验仪器

  2．药品

四、实验步骤

  1．按要求连接好实验装置。注意：感温杆勿与电热丝相碰。

  2．接通冷凝水，用超级恒温槽完成冷凝循环。量取35ml异丙醇从测管加入蒸馏瓶内，并时传感器浸入溶液3㎝左右。将加热丝接通恒流电源，将电流调定1.1安，使电热丝将液体加热至缓慢沸腾，待温度基本恒定后，再连同支架一起倾斜蒸馏瓶，使小槽中气相冷凝液倾回蒸馏瓶内，重复三次，记下乙醇的沸点及环境气压。

  3．依次再加入2、6、12、20ml环己烷，同上法测定溶液的沸点和吸取气、液相并测其折射率。

  4．将溶液倒入回收瓶。

  5．从侧管加入35ml环己烷，测其沸点。

  6．依次加入2、4、10、16ml异丙醇，按上法测其沸点和吸取气、液相并测其折射率。

  7．关闭仪器和冷凝水，将溶液倒入回收瓶。

五、实验注意现象

  1．沸点仪中没有装入溶液之前绝对不能通电加热，如果没有溶液，通电加热丝时，沸点仪会炸裂。

  2．一定要在停止通电加热之后，方可取样进行分析。

  3．使用阿贝折光仪时，棱镜上不能触及硬物，要用专用擦镜纸擦镜面。

六、原始实验数据记录表

    纯异丙醇的沸点为：74.5℃

            表一：量取35毫升的异丙醇加入环己烷。

  下面是参考的同伴的数据，是将异丙醇加入到环己烷中并测器其沸点和吸取气、液相并测其折射率

纯环己烷的沸点为：74。3℃

           表二：量取35毫升的环己烷再加入异丙醇。

七、实验数据及处理

  由于实验温度不是在标准温度，所以经修正（将实验数据改正为20℃与P40对比）为如下：

表三   向35ml的异丙醇中加入环己烷

表四  向35ml的环己烷中加入异丙醇

                         

                     八、思考题

1．沸点仪中的小球的体积过大对测量有何影响？

答：沸点仪中的小球的体积过大会使溶液受热不均匀而影响试验结果。

2．如何判定气—液相已达平衡？

答：当混合物的温度变化不大时，气—液相就达到平衡。