双液系气—液平衡相图绘制实验分析报告

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双液系气—液平衡相图绘制实验报告





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双液系气—液平衡相图绘制
实验目的:
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。
掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的测定方法。
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。
实验原理:
液体的沸点是液体饱和蒸气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。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。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。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.当温度一定时,则气液两相的组成也随之而定。当气液两相的相对量一定,则体系的温度也随之而定。沸点测定仪就是根据这一原理设计的,它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,取两相的样品,用阿贝折射计测定气液平衡气相、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。)改变体系总成分,再如上法找

出另一对坐标点。这样得若干对坐标点后,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。
仪器与试剂:
沸点仪一套调压变压器一台阿贝折射计一台超级恒温槽
1/10温度计(50~100℃)一支1/10温度计(0~50℃)一支小烧杯一个小试管(5ml带软木塞)(若干)吸管2红外线干燥箱(风筒)一台搽镜纸乙酸乙酯(AR
无水乙醇(AR不同配比的乙醇—乙酸乙酯混合液丙酮(CP重蒸水
实验步骤:1、乙醇—乙酸乙酯溶液的折射率组成工作曲线的测绘①折射率—体积分数工作曲线。对于乙醇—乙酸乙酯等部分有机液体混合体系,当使用体积分数()表示时,能得到直线的工作曲线,故只要分别准确测出25℃时纯乙醇、乙酸乙酯的折射率,将其连成直线,就得到nD%)工作曲线(n~V
②折射率—摩尔分数工作曲线。在nD%)线上取8个点,利用乙醇、乙酸乙酯的密度合量比(%)等条件将以上点对应的体积分数换算成摩尔分数,按对应的折射率重新绘nDx)点,再将点连成平滑曲线,即为nDx工作曲线(n-x
2、沸点仪的安装
将沸点仪洗净,烘干,如图所示,检查带温度计的软木塞是否塞紧、电热丝是否靠近容器底部的中心,温度计的水银球位置是否合适。3、样品的测定
①溶液的配置粗略配置乙醇体积分数为10%30%50%62%75%85%90%95%组成的乙醇—乙酸乙酯溶液(可由教师先配合)
②沸点的测定自侧管加入所要测定的溶液(约20ml其液面应在水银球的中部。打开冷凝水,接上电源,用调压变压器调节电压(约12V将液体缓慢加热使液体沸腾,最初在冷凝管下端内的液体不能代表平衡气相的组成,为加速达到平衡,可以等小槽中的气相冷凝液体收集满后,调节冷凝管的三通阀门,使冷凝液体流回至圆底
烧瓶,重复三次,直到温度计上的读数稳定数分钟,记录温度计的读数,同时读出环境的温度,算出露茎温度,以便进行温度的校正,并读出室内大气压力。③取样切断电源,停止加热,在冷凝管三通小槽处放置一个标有相应浓度记号的尾接小
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试管,并调节冷凝管的三通阀门,使冷凝液体不再流回至圆底烧瓶,而是流入尾接小试管中,并立即塞紧(防止其挥发)再用另一支干燥胶头滴管,从侧管处吸取容器中的溶液约1~2ml转移到另一个小试管,也立即塞紧,两支小试管置于盛有冷水的小烧杯中保持待测,以防组分改变。在样品的转移过程中动作要迅速而仔细。并应尽早测定样品的折射率,不宜久藏。当沸点仪内液体冷却后,将该溶液自测管倒入到指定的回收瓶中,再换另一浓度的双液体系溶液测定。
25.0+0.2℃,再用重蒸水测定阿贝折射计的读数校正值(水的折射率nD=1.3325,然后分别测定上面取的气相和液相样品的折射率。每次加样要测读数三次,若读得的三个数值很接近,则取平均值,并用前面水读数校正,即为所测样品在该温度下的折射率。每次加样测量之前,必须先将折光仪的棱镜面洗净,方法是用数滴挥发性溶剂(如丙酮)淋洗,再用搽镜纸轻轻擦去残留在镜面上的溶剂,阿贝折射计在使用完毕后也必须将镜面处理干净。⑤平衡气相和液相组成的测定根据气液相折射率的数据,在工作曲线n~x上分别查出平衡气相和液相的组成(x。按上述步骤,分别测定乙醇和乙酸乙酯的沸点,以及各溶液的沸点和平衡时气相和液相的组成。
数据处理:乙酸乙酯
h/
温度/
t/
t/
t露茎/t压力/t正常/
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1)溶液沸点的校正
①由于温度计的水银未全部浸入待测温度的区域内须进行露茎校正。t露茎=Kh(t-t
式中,K=0.00016,是水银对玻璃的相对膨胀系数;h为露出被测体系之外的水银柱长度,称露茎高度,以温度差值表示;t观为测量温度计上的读数;t环为环境温度,可用辅读温度计读出,其水银球置于测量温度计露茎的中部。露茎校正后,t=t+t露茎溶液的沸点与大气压有关,应用特鲁顿规则及克劳修斯-克拉贝公式可得溶液熔沸点因大气压变动的近似校正公式。T=
RT21

PT760P
P10760
式中,△T是沸点的压力校正值;T沸是溶液的沸点(均用热力学温度表示)p是测定
时的大气压,mmHg1mmHg=133.32Pa.
tt=T1atm1atm=101325Pa)下的溶液正常沸点为:T
正常
=t+t
经以上两项校正后,即得到校正后溶液的沸点。
2)数据记录与处理将数据填入:
室温:19.8大气压:1020.0hPa

10%30%50%62%78%85%90%95%
64.6562.0660.8060.5860.7561.3061.8662.45
10.9610.9610.9610.9610.9610.9610.9610.96
75.6173.0271.7671.5471.7172.2672.8273.41
17.917.417.819.818.819.019.219.9
0.59700.55230.52490.50150.51430.52240.53070.5347
0.23300.23120.23040.23020.23040.23070.23110.2315
75.9773.3472.0571.8171.9972.5573.1273.71
乙酸乙酯10%30%50%62%78%85%90%95%
乙酸乙酯10%30%50%62%78%85%90%95%
样品折射率1折射率2折射率3平均值

气相折射率11.36791.37091.37201.37251.37281.37321.37401.3749
气相折射率21.36811.37101.37201.37241.37301.37331.37421.3748
气相折射率31.3681
气相平均1.36801.37101.37201.37241.37301.37331.37411.3748

1.37191.37241.37311.37331.37421.3748
液相折射率11.36611.36821.37081.37171.37381.37431.37501.3758
液相折射率21.36621.36831.37101.37181.37391.37451.37501.3758纯乙酸乙酯1.37681.37691.37681.3768
液相折射率31.36631.36851.37081.37201.37411.37451.37501.3759
液相平均1.36621.36831.37091.37181.37391.37441.37501.3758纯乙醇1.36551.36541.36561.3655

由纯乙酸乙酯和纯乙醇的折射率可得出:折射率—体积分数工作曲线

直线方程为y=0.0113x+1.3655

根据直线方程可以算出气相、液相所测点的体积分数
乙酸乙酯10%30%50%62%78%85%90%95%

再根据体积分数—摩尔分数的关系,
气相乙酸乙酯v(体积分数)液相乙酸乙酯v(体积分数)
0.22420.0619
0.48230.57230.61360.66080.68730.76400.8260
0.25070.47490.56050.74630.79060.84070.9145

n乙酸乙酯
x
n乙酸乙酯n乙醇
m11V1M1M1
m1m21V12V2
M1M2M1M2


1:乙酸乙酯的密度
2:乙醇的密度
M1:乙酸乙酯的相对分子质量M2:乙醇的相对分子质量V1:乙酸乙酯的气相/液相体积分数
V2:乙醇的气相/液相体积分数
代入数据得出下表:
乙酸乙酯10%30%50%62%78%85%90%95%
气相乙酸乙酯x(摩尔分数)液相乙酸乙酯x(摩尔分数)
0.20690.0563
0.45690.54710.58910.63750.66500.74510.8108
0.23200.44950.53520.72650.77310.82650.9061


根据温度与乙酸乙酯摩尔分数的关系,作出双液系气—液平衡相图绘制
t正常/75.9773.3472.0571.8171.9972.5573.1273.71

气相乙酸乙酯x(摩尔分数)液相乙酸乙酯x(摩尔分数)
0.20690.0563
0.45690.54710.58910.63750.66500.74510.8108
0.23200.44950.53520.72650.77310.82650.9061


查得相关数据:
乙酸乙酯的沸点:77.06乙醇的沸点:78.4°C从图确定,最低恒沸点:71.84
乙酸乙酯与乙醇溶液的组成:乙酸乙酯:0.5824乙醇:0.4176
实验评注与拓展:
接通加热电源前,必须检查调压变压器旋钮是否处于零位置,以免引起有机组分燃烧或
烧坏加热电阻丝。
必须在停止加热后才能取样分析
测定折射率时,动作必须迅速,避免组分挥发,能否快速准确地测定折射率是本实验的
关键之一。
实验过程中应注意大气压的变化,必要时须进行沸点校正。
提问与思考:
①若蒸馏时仪器保温条件欠佳,在气相到达平衡气体收集小槽之前,沸点较高的组分会发生部分冷凝,则Tx图将怎么变化?
答:若有冷凝,则气相部分中沸点较高的组分含量偏低,相对来说沸点较低的组分含量偏高了,则T不变,x的组成向左或向右移(视具体情况而定)
②样品混合液测定时,可以粗略配置不同乙醇体积分数的溶液,为什么?
答:因为实验中只需要得到同一温度下气相和液相的组成,在配制溶液的时候,不需考虑具体的比例。(例如80%的跟79%都没关系,实验中只需要得到一些能够作图的点就足够了。
参考文献:
[1].复旦大学.物理化学实验,第2[M].北京_高等教育出版社,1993.

[2].北京大学化学系生物化学教研室.物理化学实验,第3[M].北京_北京大学出版,1995.
[3].北京农业大学物理化学教研室.物理化学实验,第2[M].北京_北京农业大学出版,1998.
[4].戴维P休梅尔俞鼎琼等(译).物理化学实验,第4[M].北京_化学工业出版,1990.

双液系气—液平衡相图绘制实验分析报告

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