吉首大学 化学实验教学中心 Experimental Chemistry Center of Jishou University

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1 吉首大学 化学实验教学中心 Experimental Chemistry Center of Jishou University
实验七十五 双液系的气-液平衡相图 单位：吉首大学化学化工学院

2 实验七十五 双液系的气-液平衡相图 预习提问 1、什么是双液系和完全互溶双液系？ 2、什么是相图和气-液平衡相图？
实验七十五 双液系的气-液平衡相图 预习提问 1、什么是双液系和完全互溶双液系？ 2、什么是相图和气-液平衡相图？ 3、完全互溶双液系在恒定压力下，沸点与组成相图有哪三种情况？我们测定的常压下乙醇-环己烷气液平衡相图属于哪一类？ 4、在恒定压力下，纯液体和完全互溶双液系的沸点有何不同？ 5、何为恒沸点？为什么恒沸点对应的组成称为恒沸混合物，而不是恒沸化合物？ 6、绘制恒定压力下的沸点-组成相图，需要测定哪些数据，如何测量？ 7、本实验作乙醇-环己烷溶液折光率对组成的工作曲线目的是什么？ 8、安装沸点仪时应该注意什么？为什么？ 9、每组实验的仪器需要干燥吗？为什么？ 10、各组实验所加样品的量需要精确量取吗？为什么？ 11、实验过程中何时读取沸点？何时取样测折光率 ？ 12、为什么在整个实验中，取样管必须是干净干燥的？

3 一、实验目的 （1）用沸点仪测定常压下乙醇-环己烷的气液平衡相图； （2）了解沸点的测定方法； （3）掌握超级恒温水浴的使用方法；
（4）掌握阿贝折光仪的测量原理及使用方法。

4 二、实验原理 1、基本概念 相平衡 是热力学在化学领域中的重要应用之一。研究相平衡在化学、化工的科研和生产中有重要的意义，例如：溶解、蒸馏、重结晶、萃取、提纯及金相分析等方面都要用到相平衡的知识。 相图 描述系统的状态如何随温度、压力、组成等强度性质变化而变化的图形。 相 系统内部物理和化学性质完全均匀的部分称为一个“相”。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上热力学性质的改变是飞跃式的，即热力学性质是间断的。

5 二、实验原理 相律: 对于二组分系统，C=2, f =4 -,  至少为1，则 f 最多为3。
这三个变量通常是T，p 和组成 x。所以要表示二组分系统状态图，需用三个坐标的立体图表示。 保持一个变量为常量，从立体图上得到平面截面图。 （1） 保持温度不变，得 p-x 图 较常用 （2） 保持压力不变，得 T-x 图 常用 （3） 保持组成不变，得 T-p 图 不常用。

6 二、实验原理 2、T-x 图(亦称为沸点-组成图) 外压为大气压力，当溶液的蒸气压等于外压时，溶液沸腾，这时的温度称为沸点。
某组成的蒸气压越高，其沸点越低，反之亦然。 T-x图在讨论蒸馏时十分有用，因为蒸馏通常在等压下进行。 两种在常温时为液态的物质混合起来而成的二组分体系称为双液系。若二液体按任意比例互相溶解，称为完全互溶双液系。

7 二、实验原理 2、T-x 图(亦称为沸点-组成图) 完全互溶双液系在恒压下，T-x 图有如下三种情况： （c） （a） （b）
溶液C点沸腾时气液两相组成相同，该沸腾温度称为该体系恒沸点，C点代表的组成即为该恒沸混合物的组成。改变压力，恒沸点的温度也改变，它的组成也随之改变，恒沸混合物是混合物而不是化合物。

8 二、实验原理 3、T-x 图的绘制 从实验数据直接绘制T-x图，需测定一系列不同组成乙醇-环己烷溶液的沸点及气液平衡两相的组成。 B A
定压

9 二、实验原理 3、T-x 图的绘制 本实验用回流冷凝法测定乙醇-环己烷溶液在不同组成时的沸点，平衡气、液相组成则利用组成与折光率之间的关系，应用阿贝折光仪间接测得。 沸点-组成图 折光率-组成图

10 二、实验原理 4、阿贝折光仪测定液体介质折光率的基本原理 折射定律： 临界折射现象：
当一束光从一种各向同性的介质m进入另一种各向同性的介质M时，不仅光速会发生改变，如果传播方向不垂直于m/M界面，还会发生折射现象。 折射定律： 临界折射现象： 光在不同介质中的折射 阿贝折光仪的临界折射

11 三、实验仪器与试剂 1、仪器 2、实验试剂 沸点测定仪 1套 无水乙醇（分析纯） 阿贝折光仪 1台 环己烷（分析纯） 超级恒温水浴 1台
沸点测定仪 套 阿贝折光仪 台 超级恒温水浴 台 温度计（1/10℃） 1支 长滴管 支 电吹风 个 擦镜纸 2、实验试剂 无水乙醇（分析纯） 环己烷（分析纯）

12 四、实验步骤 1、安装沸点仪 将干燥的沸点仪如图75-2安装好。检查带有温度计的橡皮塞是否塞紧，加热用的电热丝要靠近底部中心又不得碰上瓶壁。温度计的水银球的位置在支管之下并高于电热丝1cm左右，水银球应有一半浸入溶液中。

13 四、实验步骤 2、溶液沸点及平衡气、液两相组成的测定
从加液口处加入20mL环己烷于烧瓶中，连结好线路，打开回流冷却水，通电并调节调压变压器电压约15V，使液体加热至沸腾，观察蒸汽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。保持液体以恒定速度沸腾，回流一段时间，使冷凝液不断更新分馏液处的液体，直到温度计读数稳定为止。记下此刻温度即为环己烷的沸点。切断电源，停止加热，充分冷却后，用滴管分别从冷凝管下端分馏液处及加液口处取样，用阿贝折光仪测定气相、液相的折射率。 在20mL环己烷中依次添加0.5 mL 、1mL、2mL、5mL、5mL无水乙醇按上述方法测定各溶液沸点及平衡气、液相的折光率。 实验结束后，把沸点仪中的溶液倒入废液回收瓶中，用电吹风把烧瓶及电热丝吹干，再按好装置。注入20mL乙醇，测其沸点，再依次加入1mL、2mL、5mL环己烷，同样按上述方法测定各溶液沸点及平衡气、液相的折光率。

14 五、注意事项 （1）安装沸点仪时，温度传感器（或温度计）不要直接碰到加热丝。
（2）沸点测定时，电热丝应完全浸入到溶液中，否则通电加热时可能会引起有机液体燃烧。 （3）加热功率不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可，加热丝的电压不得超过20V。 （4）实验过程中必须在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。 （5）一定要使体系达到气液平衡即温度稳定后，读取沸点，停止加热，充分冷却后才能取样分析其折射率。取样后的滴管不能倒置。 （6）使用阿贝折光仪时，棱镜不能触及硬物（特别是滴管）。棱镜上加入被测溶液后立即关闭镜头，迅速测定，以防液体样品挥发。 （7）在测定纯液体样品时，沸点仪必须是干燥的，在整个实验中，取样管必须是干净干燥的。

15 表 75-2 乙醇-环己烷溶液沸点及平衡气、液相折射率和组成
六、实验数据记录与处理 （1）将实验数据填入表2：室温： ℃，大气压： Pa。 表 乙醇-环己烷溶液沸点及平衡气、液相折射率和组成 混合物体积组成 沸点 气相冷凝液分析 液相分析 环己烷V/ mL 乙醇V/ mL t/℃ 折光率 X环己烷 20 — 0.5 1 2 5

16 六、实验数据记录与处理 （2）由表75-1中数据作30℃时乙醇-环己烷溶液折光率-组成工作曲线。
（3）利用工作曲线由折光率确定气、液相组成填入表75-2，由表中数据绘制实验大气压下乙醇-环己烷双液系沸点-组成图，并由相图确定此双液系恒沸温度和恒沸混合物组成。

17 七、思考题 （1）在该实验中，测定工作曲线时折光率的恒温温度与测定样品时折光率的恒温温度是否需要保持一致？为什么？
（2）在实验中，样品的加入量应十分精确吗？为什么？ （3）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？ （4）试估计哪些因素是本实验的误差主要来源？