双液系气-液平衡相图的绘制

华 南 师 范 大 学 实 验 报 告

一、实验目的

1. 掌握回流冷凝法测定溶液沸点的方法。

2. 绘制异乙醇－乙酸乙酯双液系的沸点—组成图，确定其恒沸组成及恒沸温度。 3. 了解阿贝折射仪的构造原理，掌握阿贝折射计的原理及使用方法。

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。

对于二组分体系，常常保持一个变量为常量，而得到立体图形的平面截面图。这种平

**

面图可以有三种：p-x图，T-x图，T-p图。常用的是前两种。在平面图上，f=3-? ，fmax=2，同时共存的相数?max=3。

单组分的液体在一定外压下，它的沸点是一定值，把两种完全互溶的挥发性液体（组分A和B）互相混合后，在某一定温度下，平衡共存的气液两相的组成，通常并不相同，因此如果在恒压下将溶液蒸馏，测定馏出物（气相）和蒸馏液（液相）的折射率，就能找出平衡时气液两相的成分，并绘出沸点—组成（T—x）图线，在常温下，两种液态物质以任意比例相互溶解所组成的体系称之为完全互溶双液系。完全互溶双液系在恒定压力下的沸点—组成图可分为三类：

（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 / oCtBt / oCtBtAtBxB(b)tAAtAxB(a)BAx't / oCBAxB(c)x'B

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。

本实验就是利用回流及分析的方法来绘制相图。取不同组成的溶液在沸点仪中回流，测定其沸点及气、液相组成。沸点数据可直接由温度计获得，气、液相组成可通过测其折射率，然后由组成—折射率曲线中最后确定。以沸点对组成作图，将所有的气、液相组成连起来，

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即成相图。

三、实验药品及实验装置图

1、仪器

阿贝折射仪，直流稳压电源，电感温度计，烧杯250ml，长滴管，小试管

2、试剂

乙醇（A.R.），乙酸乙酯（A.R.）

四、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，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n??（%）工作曲线（n~V）。

25②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

25D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（nD?x）

25点，再将点连成平滑曲线，即为nD?x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5%、10%、15%、22%、38%、50%、70%、90%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，

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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。

④折射率的测定 将阿贝折射计和超级恒温槽安装好，调节超级恒温槽温度为（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。

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五、数据记录和处理

（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观-t环)

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沸=t观+△t露茎 ② 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=

RT沸21??PT沸760?P?? 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，mmHg（1 mmHg=133.32 Pa）.

若用摄氏温标，△t压表示沸点的压力校正值，则△t压 =△T，由此，在1atm（1atm=101325Pa）下的溶液正常沸点为： T正常=t沸+△t压

经以上两项校正后，即得到校正后溶液的沸点。

（2）将数据填入：

室温： 26.4℃ 大气压： 101.61kPa

表1—双液系气相平衡相图数据记录与处理表 项目 实验编号 3

5% t观/℃ t环/℃ Δt露茎/℃ t沸/℃ T沸/K Δt/℃ t正常/℃ 10% 73.70 26.4 0.46 74.16 347.31 15% 73.20 26.4 0.45 73.65 346.80 22% 72.80 26.4 0.44 73.24 346.39 38% 72.60 26.3 0.44 73.04 346.19 50% 73.00 26.3 0.44 73.44 346.59 70% 74.240 26.2 0.47 74.87 348.02 90% 76.90 26.0 0.52 77.42 350.57 73.30 26.5 0.50 76.80 349.95 -0.0990 -0.0983 -0.0981 -0.0980 -0.0979 -0.0980 -0.0985 -0.0992 76.70 74.06 73.55 73.14 实验编号 5% 10% 15% 22% 38% 50% 70% 90% 72.94 73.34 74.77 77.32 项目 气相折射率1 1.3694 1.3690 1.3679 1.3674 1.3665 1.3660 1.3646 1.3620 气相折射率2 1.3694 1.3690 1.3679 1.3674 1.3664 1.3660 1.3646 1.3621 平均折射率 1.3694 1.3690 1.3679 1.3674 1.3665 1.3660 1.3646 1.3621 实验编号 项目 5% 10% 15% 22% 38% 50% 70% 90% 液相折射率1 1.3700 1.3695 1.3685 1.3680 1.3666 1.3650 1.3629 1.3610 液相折射率2 1.3700 1.3695 1.3685 1.3680 1.3666 1.3651 1.3630 1.3610 平均折射率 1.3700 1.3695 1.3685 1.3680 1.3666 1.3651 1.3630 1.3610

纯乙醇折射率: 1.3612 纯乙酸乙酯折射率: 1.3710

折射率一体积分数工作曲线如图1所示：

折射率-体积分数工作曲线1.37201.37001.36801.36601.36401.36201.36000.00.20.40.6乙醇体积分数折射率y = -0.0098x + 1.3710.81.01.2

图1

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由此算出乙醇气相及液相的体积分数，如表2所示：

表2—乙醇气相及液相体积分数表 气相 液相 5% 0.20 0.10 10% 0.21 0.15 15% 0.32 0.27 22% 0.36 0.31 38% 0.46 0.45 50% 0.51 0.60 70% 0.65 0.81 90% 0.91 1.00

26.4℃时，乙醇的密度约为0.7806，乙酸乙酯的密度约为0.92454，

根据和表2的数据,

得乙醇的气相及液相的摩尔分数，数据如表3所示：

表3—乙醇气相及液相摩尔分数表 t正常/℃ 气相 摩尔分数 液相 摩尔分数 76.70 74.06 73.55 73.14 72.94 73.34 74.77 77.32 0.288817 0.301584 0.433248 0.477464 0.580497 0.628355 0.751046 0.942611 0.152896 0.222800 0.375319 0.421905 0.570646 0.709019 0.873820 1.000000

由折射率以及摩尔分数做折射率摩尔分数工作曲线如图2所示：

折射率一摩尔分数工作曲线1.37401.37201.37001.36801.36601.36401.36201.36000.000000折射率0.2000000.4000000.6000000.800000乙醇摩尔分数1.0000001.200000

图2

表4—纯乙醇及纯乙酸乙酯数据记录与处理表 纯乙醇 t观/℃ t环/℃ Δt露茎/℃ t沸/℃ T沸/K Δt/℃ t正常/℃ 78.9 26.4 0.54936 79.45 352.60 -0.00997 79.35 5

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