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。 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），根据体系对拉乌尔定律的偏差情况，可分为3类：

（1）一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，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，阿贝折射仪上的温度稳定在某一定值，测量环己烷－乙醇标准溶液的折光率。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

将干燥的沸点仪安装好。从侧管加入约20mL无水乙醇于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入液体内。冷凝管接通冷凝水。按恒流源操作使用说明，将稳流电源调至1.8-2.0A，使加热丝将液体加热至缓慢沸腾。液体沸腾后，待测温温度计的读数稳定后应再维持3～5min以使体系达到平衡。在这过程中，不时将小球中凝聚的液体倾入烧瓶。记下温度计的读数，即为无水乙醇的沸点，同时记录大气压力。 3. 环己烷沸点的测定

同2步操作，测定环己烷的沸点。测定前应注意，必须将沸点仪洗净并充分干燥。 4. 测定系列浓度待测溶液的沸点和折光率

同2步操作，从侧管加入约20mL预先配制好的1号环己烷－乙醇溶液于蒸馏瓶内，并使传感器（温度计）浸入溶液内,将液体加热至缓慢沸腾。因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，须连同支架一起倾斜蒸馏瓶，使槽中气相冷凝液倾回蒸馏瓶内，重复三次（注意：加热时间不宜太长，以免物质挥发），待温度稳定后，记下温度计的读数，即为溶液的沸点。

切断电源，停止加热，分别用吸管从小槽中取出气相冷凝液、从侧管处吸出少许液相混液，迅速测定各自的折光率。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

阿贝折射仪温度： 29.15 ℃ 大气压： 97.40 kPa 环己烷沸点： 76.1 ℃ 无水乙醇沸点： 79.2 ℃ 1． 3

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:因为折射率是物质的一个特征数值，它与物质的浓度机温度有关，因此在测定物质的折光率时要求温度的恒定。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：平衡时温度应该一样，但实际上不一样，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？

答：当液体沸腾时及温度不再变化稳定时气-液已达平衡态。

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。 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：根据相图测定原理 ，过热时将导致液相线向高温处移动，就是向上移动。

分馏作用会导致出来的气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点回向易挥发组分那边偏移。就是向左或向右偏移

7.绘制乙醇活度系数与摩尔分数关系曲线，由曲线可以得出什么结论？ 答：乙醇的火毒系数随着摩尔分数的变大呈现先变小后边打的趋势。

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。

2.3 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10％、 30％、69.5％、92％、97．5％、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。

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