双液系的气液平衡相图课件.ppt

8.8.双液系的气液平衡相图双液系的气液平衡相图一一.目的要求目的要求1.1.绘制在绘制在p p下环己烷下环己烷-乙醇双液系的气乙醇双液系的气-液液平衡相图平衡相图,了解相图和相律的基本概念。了解相图和相律的基本概念。2.2.掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法的方法3.3.掌握用折光率确定二元液体组成的方法掌握用折光率确定二元液体组成的方法二二.基本原理基本原理1.1.气气-液相图液相图两种液态物质混合而成的二组分体系称为双液系。根据两组分间溶两种液态物质混合而成的二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。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。两个组分若能按任意比例互相融解，称为完全互溶双液系。液体的两个组分若能按任意比例互相融解，称为完全互溶双液系。液体的沸点沸点是指液体的蒸汽压与外界压力相等时的温度。在一定的外压下，是指液体的蒸汽压与外界压力相等时的温度。在一定的外压下，纯液体的沸点有其确定值。但双液系的沸点不仅与外压有关，而且纯液体的沸点有其确定值。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。根据定律，还与两种液体的相对含量有关。根据定律，自由度组分数相数自由度组分数相数2 2因此，一个以气因此，一个以气-液共存的二组分体系，其自由度为液共存的二组分体系，其自由度为2 2。只要任意再。只要任意再确定一个变量，整个体系的存在状态就可以用二维图形来描述。例确定一个变量，整个体系的存在状态就可以用二维图形来描述。例如，在一定温度下，可以画出体系的压力如，在一定温度下，可以画出体系的压力p p和组分和组分x x的关系图。这就的关系图。这就是是p-x相图。在一定压力下，可以画出体系的温度相图。在一定压力下，可以画出体系的温度t t和组分和组分x x的关系图。的关系图。这就是这就是T-x相图。在相图。在T T-x x相图上，还有温度、液相组成和气相组成三相图上，还有温度、液相组成和气相组成三个变量，但只有一个自由度。个变量，但只有一个自由度。图8.1 完全互溶双液系的沸点组成图1.混合物的沸点介于两种纯组分之间（图8.1(a)）；2.混合物存在着最高沸点（图8.1(b)）；3.混合物存在着最低沸点（图8.1(c).为了测定双液系的为了测定双液系的T-xT-x图图,需在气液平衡后需在气液平衡后,同同时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。时测定双液系的沸点和液相、气相的平衡组成。实验中气液平衡组分的分离是通过沸点仪实现实验中气液平衡组分的分离是通过沸点仪实现的的,而各相组成的准确测定可通过阿贝折光仪而各相组成的准确测定可通过阿贝折光仪测量折射率进行。测量折射率进行。本本实实验验测测定定的的环环己己烷烷-乙乙醇醇双双液液系系相相图图属属于于具具有有最最低低恒恒沸沸点点的的体体系系。方方法法是是利利用用沸沸点点仪仪(图图8.2)8.2)在在大大气气压压下下直直接接测测定定一一系系列列不不同同组组成成混混合合物物的的气气液液平平衡衡温温度度(沸沸点点),),并并收收集集少少量量气气相相和和液液相相冷冷凝凝液液,分分别别用用阿阿贝贝折折光光率率仪仪测测定定其其折折射射率率,根根据据折折射射率率与与标标样样浓浓度度之之间间的的关关系系,查查得得所所对应的气相、液相组成。对应的气相、液相组成。图图8.2 8.2 沸点仪结构图沸点仪结构图 2.2.沸点测定仪沸点测定仪 本实验所用沸点仪如图本实验所用沸点仪如图8.28.2所示所示.这是一只带回流冷凝这是一只带回流冷凝管的长颈圆底烧瓶。冷凝管底部有一半球形小室管的长颈圆底烧瓶。冷凝管底部有一半球形小室,用以收集用以收集冷凝下来的气相样品。电流经变压器和粗导线通过浸于溶液冷凝下来的气相样品。电流经变压器和粗导线通过浸于溶液中的电热丝。这样既可以减少溶液沸腾时的过热现象中的电热丝。这样既可以减少溶液沸腾时的过热现象,还能还能防止暴沸。温度计外套的小玻璃管有利于降低周围环境对温防止暴沸。温度计外套的小玻璃管有利于降低周围环境对温度计读数可能造成的波动。度计读数可能造成的波动。通常通常,测定一系列不同配比溶液的沸点及气、液两相测定一系列不同配比溶液的沸点及气、液两相的组成的组成,就可以绘制气就可以绘制气-液体系的相图。压力不同时液体系的相图。压力不同时,双液系双液系相图将略有差异。本实验要求将外压校正到标准压力。相图将略有差异。本实验要求将外压校正到标准压力。3.3.组成分析组成分析 本实验选用的环己烷和乙醇，两者折本实验选用的环己烷和乙醇，两者折光率相差颇大光率相差颇大,二折光率测定又只需要少量二折光率测定又只需要少量样品样品,所以所以,可用折光率可用折光率-组成工作曲线来测组成工作曲线来测得平衡体系中两相的组成。得平衡体系中两相的组成。三三.仪器与试剂仪器与试剂注意按实际使用的记录注意按实际使用的记录四四.试验步骤试验步骤1.1.工作曲线绘制工作曲线绘制(1)(1)调节超级恒温水浴温度在室温调节超级恒温水浴温度在室温55以上以上,以适应季以适应季节的变化节的变化,但所选温度应易于获得试样的密度数据。但所选温度应易于获得试样的密度数据。环己烷和乙醇分别恒温环己烷和乙醇分别恒温10min,10min,根据配制混合物所需根据配制混合物所需的体积的体积,用移液管精确量取用移液管精确量取,配制环己烷摩尔分数为配制环己烷摩尔分数为0.100.10，0.200.20，0.300.30，0.400.40，0.500.50，0.600.60，0.700.70，0.800.80，0.90 0.90 的环己烷的环己烷-乙醇溶液各乙醇溶液各10ml10ml。为避免样。为避免样品的挥发带来的误差品的挥发带来的误差,配制应尽可能迅速配制应尽可能迅速。(2)(2)用尽可能短的软管将阿贝折光仪连接在前述调好用尽可能短的软管将阿贝折光仪连接在前述调好的恒温水浴上的恒温水浴上,以保持折光仪棱镜处于恒定温度。测以保持折光仪棱镜处于恒定温度。测量上述量上述9 9个溶液以及无水乙醇和纯环己烷的折光率。个溶液以及无水乙醇和纯环己烷的折光率。将将两两套套精精密密数数字字温温度度温温差差仪仪的的探探头头同同时时放放入入恒恒温温水水浴浴中中，测测定定温温度度的的差差值值,以以其其中中一一套套的的读读数数为为基基准准,对对另另一一套套精精密密数数字字温温度度温温差差仪仪读读数进行校正。并数进行校正。并作好标记作好标记！2.2.精密数字温度温差仪温度的校正精密数字温度温差仪温度的校正3.3.安装沸点仪安装沸点仪如图如图8.28.2所示所示,将干燥的沸点仪安装好。检将干燥的沸点仪安装好。检查带有温度计的软木塞是否塞紧查带有温度计的软木塞是否塞紧,电热丝要电热丝要靠近烧瓶底部的中心。温度计探头的位置靠近烧瓶底部的中心。温度计探头的位置应处在支管之下应处在支管之下,但至少要高于电热丝但至少要高于电热丝1 cm1 cm。温度计套管中应加入适量的硅油或液体石温度计套管中应加入适量的硅油或液体石蜡蜡,以完全浸没测温探头敏感部分以完全浸没测温探头敏感部分(约约2.52.53cm),3cm),便于传热。便于传热。4.4.分别测定无水乙醇和环己烷的沸点分别测定无水乙醇和环己烷的沸点如将第一套沸点仪洗净、烘干，由支管加入无水乙如将第一套沸点仪洗净、烘干，由支管加入无水乙醇使液面达到温度计探头的中部。注意电热丝应完醇使液面达到温度计探头的中部。注意电热丝应完全浸没于溶液中。打开冷却水，接通电源。用调压全浸没于溶液中。打开冷却水，接通电源。用调压变压器由零开始逐渐加大电压变压器由零开始逐渐加大电压,使溶液缓慢加热。使溶液缓慢加热。液体沸腾后液体沸腾后,再调节电压大小再调节电压大小,使蒸汽在冷凝管中回使蒸汽在冷凝管中回流的高度保持在流的高度保持在1.51.52cm2cm左右。待测温温度计的读左右。待测温温度计的读数稳定后再维持数稳定后再维持3 35 min5 min以使体系达到平衡。记录以使体系达到平衡。记录温度计和大气压计的读数。温度计和大气压计的读数。采用相同方法用第二套沸点仪测定环己烷的沸点。采用相同方法用第二套沸点仪测定环己烷的沸点。5.5.取样并测定取样并测定切切断断第第一一套套沸沸点点仪仪电电源源,停停止止加加热热。从从沸沸点点仪仪的的支支管管处处倒倒出出乙乙醇醇。由由支支管管加加入入环环己己烷烷摩摩尔尔分分数数为为0.050.05混混合合物物样样品品使使液液面面达达到到温温度度计计探探头头的的中中部部(距距探探头头顶顶1cm1cm处处)。注注意意电电热热丝丝应应完完全全浸浸没没于于溶溶液液中中。打打开开冷冷却却水水,接接通通电电源源。用用调调压压变变压压器器由由零零开开始始逐逐渐渐加加大大电电压压,使使溶溶液液缓缓慢慢加加热热。液液体体沸沸腾腾后后,再再调调电电压压大大小小,使使蒸蒸汽汽在在冷冷凝凝管管中中回回流流的的高高度度保保持持在在1.51.52cm2cm左左右右。待待测测温温温温度度计计的的读读数数稳稳定定后后,再再维维持持3 35min5min以以使使体体系系达达到到平平衡衡。记记录录温温度度计计和和大大气气压压计计的的读读数数。切切断断测测定定乙乙醇醇沸沸点点的的沸沸点点仪仪的的电电源源,停停止止加加热热。用用干干燥燥、洁洁净净的的吸吸管管分分别别从从冷冷凝凝管管上上端端和和蒸蒸馏馏瓶瓶支支管管处处取取气气相相和和液液相相冷冷凝凝液液,用用阿阿贝贝折折光光仪仪测测定定其其折折射射率率。每每个个样样品品测测定定三三次次。试试样样转转移移要要迅迅速速,将将样样品品直直接接滴滴在在折折光光仪仪毛毛玻玻璃璃上上进进行行测测定定。最最后后,将将溶液倒入指定的贮液瓶。溶液倒入指定的贮液瓶。按按上上述述相相同同的的步步骤骤,用用第第二二套套沸沸点点仪仪测测定定环环己己烷烷摩摩尔尔分分数数为为0.90 0.90 的的环环己己烷烷-乙乙醇醇溶溶液液的的沸点以及气相和液相的折射率测定。沸点以及气相和液相的折射率测定。6.6.系列环己烷系列环己烷-乙醇溶液以及环己烷的测定乙醇溶液以及环己烷的测定 按上述第按上述第5 5步所述步骤步所述步骤,分别用第一套沸点仪分别用第一套沸点仪从低组成向高组成逐一测定各溶液的沸点、大气从低组成向高组成逐一测定各溶液的沸点、大气压及两相样品的折光率压及两相样品的折光率,而用第二套沸点仪从高组而用第二套沸点仪从高组成向低组成逐一测定各溶液的沸点、大气压及两成向低组成逐一测定各溶液的沸点、大气压及两相样品的折光率。直至完成所有溶液的测定。相样品的折光率。直至完成所有溶液的测定。系列溶液可回收供其它同学使用；每个试样测定系列溶液可回收供其它同学使用；每个试样测定后后,将沸点仪尽量倒干净即可将沸点仪尽量倒干净即可,不必干燥。不必干燥。记录温记录温度数据时千万不要忘记注明所用温度计的编号或度数据时千万不要忘记注明所用温度计的编号或代码！代码！7.7.绘图绘图用所测实验原始数据绘制沸点用所测实验原始数据绘制沸点-组成草图，组成草图，与文献值比较决定是否有必要重新测定某些与文献值比较决定是否有必要重新测定某些数据。数据。注意事项注意事项 1.1.测定折光率时测定折光率时,动作应迅速动作应迅速,以避免样品中易挥发组元以避免样品中易挥发组元损失损失,确保数据准确；确保数据准确；2.2.电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热电热丝一定要被溶液浸没后方可通电加热,否则电热否则电热丝易烧断或燃烧着火；丝易烧断或燃烧着火；3.3.注意一定要先加溶液注意一定要先加溶液,再加热；取样时再加热；取样时,应注意切断加应注意切断加热丝电源；热丝电源；4.4.每种浓度样品其沸腾状态应尽量一致。即气泡使连续每种浓度样品其沸腾状态应尽量一致。即气泡使连续均匀地冒出为好均匀地冒出为好,不要过于激烈也不要过慢。测定纯环不要过于激烈也不要过慢。测定纯环己烷、纯乙醇沸点时必须保证沸点仪内洁净干燥；己烷、纯乙醇沸点时必须保证沸点仪内洁净干燥；5.5.先开冷却水先开冷却水,再加热再加热,系统真正达到平衡后系统真正达到平衡后,停止加热停止加热,稍冷却后方可取样分析。稍冷却后方可取样分析。