物化实验 二组分体系气液平衡相图绘制

实验四二组分体系气液平衡相图

一.实验目的

1.了解液体沸点的测定方法。

2.掌握温度计的露茎校正方法。

3.掌握阿贝折光仪的原理及使用方法

4.测定环己烷——乙醇二元系统气液平衡数据,给出沸点组成图。

二.实验原理

常温下两液态物质混合构成的体系称为双液系。若该双液系能按任意比例混合成为一相则称为完全互溶双液系。若只能在一定比例范围内混合成为一相,其它比例范围内为两相则称部分互溶双液系。环己烷——乙醇体系是完全互溶双液系。液体的沸点是指液体的蒸气压和外压相等时的温度。在一定外压下纯液体的沸点有确定值。但是双液系沸点不仅与外压有关还随双液系的组成的改变而改变。同时,在一般情况下双液系蒸馏时的气相组成和液相组成并不相同,因此原则上可通过反复蒸馏即精馏的方法分离双液系中的两液体。但是当双液系具有恒沸点时,不能用单纯蒸馏的方法分离两液体。

如图4.1所示,本实验所用体系环己烷——乙醇的温度组成图是一个典型的具有最低恒沸点的相图。若将组成在恒沸点处的体系蒸馏时气相组成和液相组成完全一样,因此在整个蒸馏过程中沸点也恒定不变,无法通过蒸馏的方法分离两组分。恒沸点和恒沸混合物的组成还和外压有关,因此在不同外压条件下实验时所得双液系的相图也不尽相同,通常压力变化不大时恒沸点和恒沸混合物的组成的变化也不大,在未注明压力时一般均指外压为101.325kPa。

物化实验 二组分体系气液平衡相图绘制

图4.1 具有最低恒沸点体系相图示意图

本实验采用回流冷凝法测定环己烷——乙醇溶液在不同组成时的沸点。由于液体沸腾时易发生过热现象,同时气相又易出现分馏效应,因此沸点的准确测定不易。本实验所用的沸点仪如图 4.2所示,称为奥斯默沸点仪,它是一支带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶,加热用的电热丝直接浸在溶液中,这样可以减少溶液的过热现象和防止暴沸。冷凝管的底部有一个小球泡用以收集冷凝下来的气相样品,由于分馏作用会使获得的气相样品的组成与气液平衡时的气相组成发生偏差,为此须在吹制沸点仪时尽量缩短小球泡与烧瓶间的距离以减少分馏作用。

分析气液两相组成的方法有物理法和化学法。由于环己烷——乙醇的折光率相差较大,所以它们所组成的溶液的折光率随溶液成分的改变而显著变化,因此可用阿贝折光仪测定样品的组成。在一定温度下,纯物质具有一定的折射率,两种液体相互混合成液态混合物后,其折射率与其组成有关。为此可预先配制一系列组成不同的环己烷——乙醇溶液,然后测定其相应的折光率将折光率与组成列成表待查。注意体系的折光率与温度有关,故测定未知样品的折光率与测定工作曲线的折光率应在同一温度下进行。

物化实验 二组分体系气液平衡相图绘制

图4.2 奥斯默沸点仪示意图

1–长颈圆底烧瓶;2–电热丝;3–测量温度计;4–玻璃管;5–取样口;6–环境温度计;7–冷凝管

三.仪器和试剂

奥斯默沸点仪1套,阿贝折光仪1台,超级恒温槽1台,0.5KV调压变压器1台,精密温度计(1/10℃)1支,酒精温度计(1℃)1支,20mL刻度移液管2支,滴管2支,洗耳球1只。环己烷(分析纯),无水乙醇(分析纯)

四.实验步骤

1.安装沸点仪

将干燥的沸点仪如图安装好,检查带有温度计的软木塞是否塞紧,加热用的电热丝要靠近烧瓶底部,温度计水银球的位置要在支管之下并至少高于电热丝1cm。这样测得的温度比较能代表气液两相的平衡温度。

2.测定沸点

取20mL环己烷,从磨口塞处注入沸点仪中,溶液液面在水银球的中部,打开冷凝水,用万用表检查电路回路是否短路,接通电源,调节变压器电压为15V,使液体微微加热,液体沸腾后观察蒸气在冷凝管中回流的高度不宜太高,以2cm较合适,这可通过调节电压和冷凝水的流量来控制。保持液体以恒定速率沸腾直到精密温度计读数稳定为止。记下此刻温度和普通温度计的读数,由此可计算环己烷的沸点。

3.取样分析

切断电源停止加热,用一支较长的清洁干燥的滴管自冷凝管口伸入小球泡中,取出冷凝液测其折光率。用另一支清洁干燥的滴管自磨口塞处插入烧瓶溶液中吸取冷凝液测其折光率。每次取样后滴管要用洗耳球吹干(注意磨口塞在取样及加入溶液后要立即盖好防止溶液蒸发损失,测定折光率时应迅速防止液体样品挥发)。测定折光率后,将棱镜用洗耳球吹干以备下次测定用。

在20mL环己烷中依次加0.5、1、2、5、5和10mL无水乙醇,按上述方法记录各溶液的沸腾温度及气液两相的折光率。上述实验结束后把沸点仪中的溶液倒入废液回收瓶中,用洗耳球把圆底烧瓶及电热丝吹干再安装好装置。注入20mL乙醇测其沸点后依次加入1、2和5mL环己烷,同样按上述步骤测定各溶液的沸腾温度及气液两相的折光率。

五.数据记录与处理

1.实验数据记录

室温: 大气压:

混合液体积组成 气相冷凝液分析 液相分析 环己烷/mL

乙醇/mL

t 测/℃ t 环/℃

t /℃

T 0/K

折光率

x 环己烷 折光率

x 环己烷

20 0 0 0.5 0 1 0 2 0 5 0 5 0 10 0 20 1 0 2 0

5

2.温度计露茎校正

本实验用实验温度计分度为1/10℃,它是全浸式温度计,全浸式温度计局浸式使用时必须对温度计进行露茎校正

()0.00016=

C

n

t t t Δ°环露测- (4.1) 式(4.1)中t Δ露为露茎校正值,t 测为实验观测到的精密温度计读数,t 环为辅助温度计读数,n 为精密温度计露出的汞柱高度,以温度差表示。

t t t =+Δ测露 (4.2)

3.大气压读数校正

本实验要求对大气压读数进行温度校正

()=

1t p p t

βαβ?Δ+室

校读 (4.3)

式中β为汞的体积膨胀系数=0.0001815/C °,α为黄铜标尺的线膨胀系数=0.0000184/C °,t 室为室温,故

()=11t p p p p t βαβ??

?=?Δ???+??

室大气压

读校读室 (4.4)

4.沸点校正

由于实验大气压不一定就是101.325kPa ,因此要将p p =大气压下的沸点T 校正到

0=101.325kPa p 下的正常沸点T 0。用克劳修斯—克拉贝龙方程进行校正

vap m 0011ln

H p p R T T Δ??

=?????

用楚顿规则

vap m

110

88J K mol H T ??Δ≈??代入上式,并引入当x 很小时ln(1)x x ?≈?进行近似,得

()

00110

88J mol K RT p p T T p ????=

?? 当沸点相差不是太大时与实验沸点T 用正常沸点T 0代替,有

()

000110

88J K mol RT p p T T T p ???Δ=?=

?? (4.5)

0T T T =Δ+ (4.6)

通常用环己烷的实验数据进行正常沸点校正,其他数据统一按上式计算值修正。 5.作环己烷—乙醇的沸点组成图,并由图找出其恒沸点温度及恒沸点组成。

六.思考题

1 用温度计直接插入沸腾的溶液中测沸点是否可以?为什么?

2 温度计水银球应放在哪个部位比较合适?

3 实验后估计一下哪些因素是主要误差来源?

备注:本实验未作温度计的零点校正,即示值校正。

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