乙醇水的气液平衡数据及相图
水的相图2
典型相图举例分析 (一)水的相图 众所周知，水有三种不同的聚集状态。在指定的温度、压力下可以互成平衡，即 在特定条件下还可以建立其的三相平衡体系。表５－１的实验数据表明了水在各种平衡条件下，温度和压力的对应关系。 水的相图（图５－２）就是根据这些数据描绘而成的。 表５－１ 水的压力～温度平衡关系 １.两相线：图中三条曲线分别代表上述三种两相平衡状态，线上的点代表两相平衡的必要条件，即平衡时体系温度与压力的对应关系。在相图中表示体系（包含有各相）的总组成点称为"物质点"，表示某一相的组成的点称为"相点"，但两者常通称为"状态点"。 OA 线是冰与水气两相平衡共存的曲线，它表示冰的饱和蒸气压与温度的对应各相，称为"升华曲线"，由图可见，冰的饱和蒸气压是随温度的下降 而下降。 OC 线是（蒸）气与液（水）两相平衡线，它代表气～液平衡时，温度与蒸气压的对应关系，称为"蒸气压曲线"或"蒸发曲线"。显然，水的饱和 蒸 气压是随温度的增高而增大，Ｆ 点表示水的正常沸点，即在敞开容器中发水加热到 100℃ 时，水的蒸气压恰好等于外界的压力（），它就 开始沸腾。在压力下液体开始沸腾的温度称其为"正常沸点"。 OB 线是固（冰）与液（水）两相平衡线，它表示冰的熔点随外压变化关系，故称之为冰的"熔化曲线"。熔化的逆过程就是凝固，因此它又表示水 的凝固点随外压变化关系，故也可称为水的"凝固点曲线"。该线甚陡，略向左倾，斜率呈负值，意味着外压剧增，冰的熔点仅略有降低，大约是每 增加１个，下降 0.0075℃ 。水的这种行为是反常的，因为大多数物质的熔点随压力增加而稍有升高。
在单组分体系中，当体系状态点落在某曲线上，则意味体系处于两相共存状态，即Ф =2，f = 1。这说明温度和压力，只有一个可以自由变动，另一个随前一个而定。关于两相线的分析以及斜率的定量计算将在"克拉贝龙方程式"讨论。 必须指出，OC线不能向上无限延伸，只能到水的临界点即374℃ 与22.3×103kPa 为止，因为在临界温度以上，气、液处于连续状态。如果特别小心，OC线能向下延伸如虚线OD所示，它代表未结冰的过冷水与水蒸气共存，是一种不稳定的状态，称为"亚稳状态"。OD线在OA线之上，表示过冷水的蒸气压比同温度下处于稳定状态的冰蒸气压大，其稳定性较低，稍受扰动或投入晶种将有冰析出。OA线在理论上可向左下方延伸到绝 对零点附近，但向右上方不得越过交点O，因为事实上不存在升温时该熔化而不熔化的过热冰。OB线向左上方延伸可达二千个压力左右，若再向上，会出现多种晶型的冰，称为"同制多晶现象"，情况较复杂，后面将简单提及。 ２.单相面：自图5-2，三条两相线将坐标分成三个区域；每个区域代表一个单相区，其中AOC为气相区，AOB为固相区，BOC为液相区。它们都满足Ф =1，f = 2，说明这些区域内T、p均可在一定范围内自由变动而不会引起新相形成或旧相消失。换句话说要同时指定T、p两个变量才能确定体系的一个状态。另外从图中亦可推断，由一个相变为另一相未必非得穿过平衡线；如蒸气处于状态点M经等温压缩到N点，再等压降温至h，最后等温降压到P点，就能成功地使蒸气不穿过平衡线而转变到液体水。 ３.三相点：①：三条两相线的交点O是水蒸气、水、冰三相平衡共存的点，称为"三相点"。在三相点上Ф =3，f =0，故体系的稳定、压力皆恒定，不能变动。否则会破坏三相平衡。三相点的压力p = 0.61kPa ，温度T= 0.00989℃，这一温度已被规定为 273.16K，而且作为国际绝对温标的参考点。值得强调，三相点温度不同于通常所说的水的冰点，后者是指敞露于空气中的冰～水两相平衡时的温度，在这种情况下，冰～水已被空气中的组分（CO2、N2、O2等）所饱和，已变成多组分体系。正由于其它组分溶入致使原来单组分体系水的冰点下降约0.00242℃；其次，因压力从 0.61kPa 增大到 101.325kPa，根据克拉贝龙方程式计算其相应冰点温度又将降低0.00747℃，这两种效应之和即0.00989℃ ≈ 0.01℃（或273.16K ）就使得水的冰点从原来的三相点处即0.00989℃ 下降到通常的0℃（或 273.15K）。 图5-2 为低压下相图，有一个三相点，而在高压下水可能出现同质多晶现象，因此在水的相图上就不止存在一个三相点（图５－３），不过这些三相点不出现蒸气相罢了。水在高压下共有六种不同结晶形式的冰，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ（普通冰以Ⅰ表示，冰Ⅳ不稳定），表５－２列出高压下水各三相点的温度和压力。 图5-3 水在高压下的相图 图5-2 水的相图 至此我们已明了相图中点、线、面之意义，于是可借助相图（图５－２）来分析指定物系当外界条件改变时相变化的情况。例如，101.325kPa，-40℃ 的冰（即Q点），当恒压升温，最终达到250℃（即J点）。其中物系点先沿着QJ线移动，此时先在单一固相区内，由相律可知f * = 1，故
【清华】实验2_双液系的气液平衡相图_2006011835
`` 实验2 双液系的气液平衡相图 唐盛昌2006011835 分6 同组实验者：徐培 实验日期：2008-10-9，提交报告日期：2008-10-23 带实验助教：尚培华 1 引言（简明的实验目的/原理） 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。 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5—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5—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5—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，
物理化学-第四章-相平衡习题解
第四章 相平衡 一、 基本内容 本章运用热力学方法推导相平衡系统共同遵守的规律—相律；介绍单组分或多组分系统内达平衡时的状态图—相图的绘制、相图的分析和相图的应用。通过本章的学习，可以应用相律判断各类相平衡系统中的相数、组分数和自由度数；了解各类相图的绘制方法，正确分析相图中各点、线、面的意义，解释外界条件变化时系统经历的相变，并能根据所给条件粗略画出相图；能应用杠杆规则计算相平衡系统中各相的相对数量，明确蒸馏、精馏、结晶、萃取等工业过程分离、提纯物质的基本原理和最佳途径。 （一）相变 在聚集态内部能与其它物质区分的“均匀系”称为“相”，描述“相”的特征是：宏观 物理性质与化学性质均匀一致；其物质的数量可以任意改变（量变）；相与相之间不强求明显的物理界面。例如水池中插板、冰被破碎，并不改变原有相数的平衡状态。相变则标志质（物理性质和化学性质）的飞跃，根据物性的不同有一级相变和二级相变之分，一级相变广为存在，其特征是物质在两相平衡时化学势的一级偏微商不相等，?V ≠0，?H ≠0，?S ≠0，曲线变化呈现明显折点（有二条切线）。这类相变符合克拉贝龙方程： V T H dT dp ??= 。二级相变的特征是物质在二相平衡时化学势的一级偏微商相等，曲线变化呈现圆滑过渡（只有一条切线）。而二级偏微商不等，C p 、α(等压热膨胀系数)、β（等温压缩系数）在相变温度时曲线的变化不连续。二级相变因?H =0，不适用克拉贝龙方程而适用埃伦菲斯方程α ??=TV C dT dp p 。某些金属的铁磁→顺磁转变，低温下超导性能的转变等属于此类。 （二）相律 系统达热力学平衡时，若有C 种组分，Φ个相，通常仅将温度与压力2个强度性质考虑进去，组成一个全部是独立变量的以自由度数f 表达的函数关系式： f =C -Φ+2。此即为吉布斯相律公式。如有磁场、重力场以及有渗透压等其它因素影响，则应将常数2改为n 。 （三）相图 相图是一些描述相平衡规律的图形。将吉布斯相律与相图相结 合，可以了解多相平衡系统在不同T 、p 、x 条件下的相态变化。系 统的组分数不同，相图的绘制方法及相图的形貌也不尽相同。 1．单组分系统，重点研究p -T 图 参考图4-1，单组分系统C =1，f =C -Φ+2单相（面积区）时， Φ=1，f =2，温度和压力均可变，称为双变量系统；在汽化、凝固和
双液系的气液平衡相图
双液系的气-液平衡相图 1. 简述由实验绘制环己烷-乙醇气-液平衡T-x相图的基本原理。 答：通过测定不同沸点下组分的气、液相的折射率，在标准的工作曲线上找出该折射率对应的浓度，结合其沸点画出平衡相图。 2. 在双液系的气-液平衡相图实验中，作环己烷-乙醇的标准折光率-组成曲线的目的是什么？ 答：作标准曲线的目的是通过测气、液相相得折射率从而在标准工作曲线上找出对应的浓度。 3. 用精馏的方法是否可把乙醇和环己烷混合液完全分离，为什么？ 答：不能完全分离。因为环己烷-乙醇二组分具有最低恒沸点。 4. 测定纯环己烷和纯乙醇的沸点时，沸点仪中有水或其它物质行吗？ 答：有水和其他物质都是不行的。因为有水和其他物质会使所测沸点改变。 5. 为什么工业上常生产95％酒精？只用精馏含水酒精的方法是否可能获得无水酒精？ 答：因为水-乙醇二组分具有最低恒沸点，所以工业上常生产95%的酒精。用精馏的方法无法获得无水酒精，只能获得95%的酒精。 6. 在双液系的气-液平衡相图实验中，如何判断气-液相达平衡状态？
答：观察贝克曼温度计的读数，如果读数稳定3-5分钟，说明已达平衡状态。 7. 在双液系的气-液平衡相图实验中，每次加入沸点仪中的环己烷或乙醇是否应按记录表所规定的体积精确计量？为什么？ 答：不需要按记录表的加。因为组分的浓度不是按所加物质的量计算得来的，而是通过测折射率间接得到的。 8. 在双液系的气-液平衡相图实验中，在测定沸点时，溶液出现分馏现象，将使绘出的相图图形发生什么变化？ 答：出现馏分将使测得的沸点偏高，使相图向上移动。 9. 在双液系的气-液平衡相图实验中，蒸馏器中收集气相冷凝的小球大小对结果有何影响？ 答：小球太小难以收集气相，小球太大，小球内的组分更新太慢，产生馏分，导致实验误差。 10. 在双液系的气-液平衡相图实验中，通过测定什么参数来测定双液系气-液平衡时气相和液相的组成？ 答：通过测定组分的折射率来测定双液系气-液平衡时气相和液相的组成。 11. 在双液系的气-液平衡相图中，如何通过测定溶液的折光率来求得溶液的组成？ 答：通过测得的折射率在标准曲线上找出对应的浓度，根据气、液相平衡浓度与测得的沸点作出平衡相图。
物理化学习题答案(二)-相平衡
物理化学习题答案（二） 一. 选择题 1. 当克劳修斯_克拉贝龙方程应用于凝聚相转变为蒸气时，则：( C ) (A) p 必随T 之升高而降低(B) p 必不随T 而变 (C) p 必随T 之升高而变大(D) p 随T 之升高可变大或减少 2. 水的三相点，其蒸发热和熔化热分别为44.82和5.994kJ·mol-1。则在三相点冰的升华热约为：( B ) (A) 38.83 kJ?mol-1 (B) 50.81 kJ?mol-1(C) -38.83 kJ?mol-1 (D) -50.81 kJ?mol-1 3. 已知苯一乙醇双液体系中，苯的沸点是353.3K，乙醇的沸点是351.6K，两者的共沸组成为：含乙醇47.5%(摩尔分数)，沸点为341.2K。今有含乙醇77.5%的苯溶液，在达到气、液平衡后，气相中含乙醇为y2，液相中含乙醇为x2。问：下列结论何者正确？(C ) (A) y2> x2(B) y2= x2 (C) y2< x2(D) 不能确定 4. 如上题，若将上述溶液精馏，则能得到：(D ) (A) 纯苯(B) 纯乙醇(C) 纯苯和恒沸混合物(D) 纯乙醇和恒沸混合物 5. 绝热条件下，273.15K的NaCl加入273.15K的碎冰中，体系的温度将如何变化? （B ） (A) 不变(B) 降低(C) 升高(D) 不能确定 6. 体系中含有H2O、H2SO4?4H2O、H2SO4?2H2O、H2SO4?H2O、H2SO4，其组分数C为：( B ) (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 7. 在410 K，Ag2O(s)部分分解成Ag(s)和O2(g)，此平衡体系的自由度为：(A ) (A) 0 (B) 1 (C) 2 (D) 3 8. 在通常情况下，对于二组分物系能平衡共存的最多相为：(D ) (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 9. CaCO3(s)、CaO(s)、BaCO3(s)、BaO(s)及CO2(g)构成的平衡物系，其组分数为：(B ) (A) 2 (B) 3 (C) 4 (D) 5 10. 由CaCO3(s)、CaO(s)、BaCO3(s)、BaO(s)及CO2(s)构成的平衡体系其自由度为：( C) (A) f =2 (B) f = 1 (C) f = 0 (D) f = 3 11. N2的临界温度是124K，室温下想要液化N2, 就必须：( D) (A) 在恒温下增加压力(B) 在恒温下降低压力 (C) 在恒压下升高温度(D) 在恒压下降低温度 12. 对于与本身的蒸气处于平衡状态的液体，通过下列哪种作图法可获得一直线：(C) (A) p对T (B) lg(p/Pa) 对T (C) lg(p/Pa) 对1/T (D) 1/p 对lg(T/K) 13. 在相图上，当体系处于下列哪一点时存在二个相：(A ) (A) 恒沸点(B) 三相点(C) 临界点(D) 最低共熔点 14. 在相图上，当体系处于下列哪一点时存在一个相：(C ) (A) 恒沸点(B)熔点(C) 临界点(D) 最低共熔点 15. 将非挥发性溶质溶于溶剂中形成稀溶液时，将引起(A ) (A) 沸点升高(B) 熔点升高(C) 蒸气压升高(D) 都不对 16. 稀溶液的依数性包括蒸汽压下降、沸点升高、凝固点降低和渗透压,下面的陈述其中正确的是( C)
双液系气-液平衡相图(精)
双液系的气-液平衡相图 报告人：宋意海 班级：09应化2Z 实验时间2011年04月15日 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，可分为三类： （1）一般偏差：混合物的沸点介于两种纯组分之间，如甲苯－苯体系，如图1(a)所示。 （2）最大负偏差：混合物存在着最高沸点，如盐酸－水体系，如图1 (b)所示。 （3）最大正偏差：混合物存在着最低沸点，如正丙醇—水体系，如图1(c)）所示。 t A t A t A t B t B t B t / o C t / o t / o x B x B x B A B A A B B (a) (b) (c) x ' x ' 图1 完全互溶双液系的相图
对于后两种情况，为具有恒沸点的双液系相图。它们在最低或最高恒沸点时的气相和液相组成相同，因而不能象第一类那样通过反复蒸馏的方法而使双液系的两个组分相互分离，而只能采取精馏等方法分离出一种纯物质和另一种恒沸混合物。 为了测定双液系的T－x相图，需在气－液平衡后，同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。 本实验以环己烷－乙醇为体系，该体系属于上述第三种类型，在沸点仪（如图2）中蒸馏不同组成的混合物，测定其沸点及相应的气、液二相的组成，即可作出T－x相图。 本实验中两相的成分分析均采用折光率法。 折光率是物质的一个特征数值，它与物质的浓度及温度有关，因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。溶液的浓度不同、组成不同，折光率也不同。因此可先配制一系列已知组成的溶液，在恒定温度下测其折光率，作出折光率－组成工作曲线，便可通过测折光率的大小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，各种组成的环己烷－乙醇混和溶液。 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．测定待测溶液沸点和折光率 （1）无水乙醇沸点的测定
乙醇--水相平衡数据(共115组数据)
n=115 dim x(n),y(n) “乙醇—水相平衡数据如下：” “(x1,x2,x3 ......x115 ) 注意单位是 % 数据必须从小到大排列”data 0.000,.0040,.0117,.0157,.0196,.0235,.0274,.0313,.0352 data .04,.055,.08,.12,.16,.19,.23,.27,.31 data .35,.39,.79,1.19,1.61,2.01,2.43,2.86,3.29,3.73,4.16 data 4.61,5.07,5.51,5.98,6.46,6.86,7.41,7.95,8.41,8.92 data 9.42,9.93,10.48,11.00,11.53,12.08,12.64,13.19,13.77 data 14.35,14.95,15.55,16.15,16.77,17.41,18.03,18.68,19.34 data 20.00,20.68,21.38,22.07,22.79,23.51,24.25,25.00,25.75 data 26.53,27.32,28.12,28.93,29.80,30.61,31.47,32.34,33.24 data 34.16,35.09,36.02,36.93,37.91,38.95,40.00,41.02,42.00 data 43.17,44.27,45.41,46.55,47.72,48.92,50.16,51.39,52.68 data 54.00,55.34,56.71,58.71,59.55,61.02,62.52,64.05,65.64 data 67.27,68.92,70.62,72.36,74.15,75.99,77.88 data 79.82,81.82,83.87,85.97,88.15,89.41 “(y1,y2,y3 ......y115 ) 注意单位是 % 数据必须从小到大排列”data 0.000,.053,.153,.209,.255,.307,.358,.410,.461,.510 data .77,1.03,1.57,1.98,2.48,2.90,3.33,3.725,4.12 data 4.51,8.76,12.75,16.34,18.68,21.45,23.96,26.21,28.12 data 29.92,31.56,33.06,34.57,35.83,36.98,38.06,39.16,40.18 data 41.27,42.09,42.94,43.82,44.61,45.41,46.08,46.90,47.49 data 48.08,48.68,49.30,49.77,50.27,50.78,51.27,51.67,52.04 data 52.43,52.68,53.09,53.46,53.76,54.12,54.54,54.80,55.22 data 55.48,55.74,56.03,56.44,56.71,57.12,57.41,57.70,58.11 data 58.39,58.78,59.10,59.55,59.84,60.29,60.58,61.02,61.44 data 61.76,62.22,62.52,62.99,63.43,63.91,64.21,64.70,65.34 data 65.81,66.28,66.93,67.42,68.07,68.76,69.59,70.29,71.14 data 71.86,72.71,73.61,74.69,75.81,76.93,78.00,79.26,80.42 data 81.83,83.25,84.91,86.40,88.25,89.41 1