实验五 双液系的气液平衡相图.doc

实验五双液系的气液平衡相图刘明星PB10207078单位:中国科学技术大学生命科学学院摘要:完全互溶双液系的饱和蒸汽压与体系的组成有关,当完全互溶双液系的饱和蒸汽压与外界大气压相等时液体沸腾,通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相、液相组成作图,所得图形称为双液系T-x相图,在一定温度下还可画出体系的压力P与组成的P-x关系图,液体组成可以用阿贝折射仪来测量,沸点仪用来测得气液两相的平衡温度。关键词:沸点,完全互溶双液系,阿贝折射仪,调压变压器T-x相图,P-x关系图。前言:用沸点仪和阿贝折射仪确定其最低恒沸点温度及恒沸混合物的组成。用折光率确定双组分体系的组成,据此作出一个大气压下水——正丙醇双液系的气液平衡相图,并且确定其最低恒沸点温度及恒沸混合物的组成。实验原理:在常温下,两液态物质混合而成的体系称为双液系。两液体若只能在一定比例范围内互相溶解,称为部分互溶双液系,若两液体能以任意比例相互溶解,则称为完全互溶双液系。例如:苯-乙醇体系,正丙醇-水体系,环己烷—乙醇体系都是完全互溶双液系,苯-水体系则是部分互溶双液系。液体的沸点是指液体的蒸气压与外压相等时的温度。在一定的外压下,纯液体的沸点有确定的值。但对于双液系来说,沸点不仅与外压有关,而且还与双液系的组成有关,即与双液系中两种液体的相对含量有关。双液系在蒸馏时具有另一个特点是:在一般情况下,双液系的气相组成和液相组成并不相同。因此原则上有可能用反复蒸馏的方法,使双液系中的两液体互相分离。通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相、液相组成作图,所得图形称为双液系T-x相图,在一定温度下还可画出体系的压力P与组成的P-x关系图。完全互溶双液系在恒定压力下的气液平衡相图可分为三类:如果溶液与拉乌尔定律的偏差不大,在T—x图上,溶液的蒸汽压和沸点介于A,B两纯组分蒸汽压及沸点之间,如甲苯-苯体系(图5-1所示,为第一类。实际溶液由于A—B两组分的相互影响,常与拉乌尔定律有较大的偏差。在T—X图上可能有最低和最高点出现。如图(5-2、(5-3所示。这些点称为恒沸点。其相应的溶液称为恒沸点混合物。恒沸混合物蒸馏所得的气相与液相的组成相同。如:盐酸—水体系具有最高恒沸点,为第二类;正丙醇—水等体系具有最低恒沸点,为第三类。外界压力不同时,同一双液系的相图也不尽相同,所以恒沸点和恒沸点混合物的组成还与外压有关,一般在未注明压力时,通常都指外压为标准大气压的值(1大气压或101325Pa。图5-1完全互溶体系的一种蒸馏相图图5-2,3完全互溶双液系的另两种类型相图从相律来看,对二组分体系,当压力恒定时,在汽液二相共存区域中,自由度等于1,若温度一定,汽液两相成分也就确定。当总成分一定时,由杠杆原理知,两相的相对量也一定。反之,在一定的实验装置中,利用回流冷凝的方法保持气液两相相对量一定,则体系的温度恒定。此时,取出两相中的样品,用物理方法或化学方法分析两相的成分,可给出在该温度时气液两相平衡成分的坐标点。改变体系的总成分,再如上法可找出另一对坐标点,这样测得若干对坐标后,分别按气相点和液相点连成气相线和液相线,即得双液系的T-X相图。本实验两相中的成分分析均采用折光率法,溶液折光率的测定,请看附录说明书。物质的折光率是一特征数值,它与物质的浓度及温度有关。大多数液态有机化合物的折光率的温度系数为-,因此在测量物质的折光率时要求温度恒定。一般温度控制在±℃时,能从阿贝折射仪上准确测到小数点后4位有效数字。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,已知浓度的溶液,在恒定温度下测其折光率,作出组成−−折光率工作曲线,便可通过测折光率的大小在工作曲线上找出未知溶液的浓度与组成。沸点仪的构造及沸点的测定:沸点仪的设计虽各有异,但其设计思想都集中在如何正确地测定沸点和气液相的组成,以及防止过热和避免分馏等方面。我们所使用的沸点仪如图5-4所示:这是一只带有回流冷凝管的长颈圆底烧瓶,冷凝管底部有一球形小室D,用以收集冷凝下来的汽相样品。液相样品则通过烧瓶上的支管L抽取,图中E是一根用300W的电炉丝截制而成的电加热丝,直接浸入溶液中加热,以减少溶液沸腾时的过热暴沸现象。温度计安装时须注意使水银球一半浸在液面下,一半露在蒸气中,并在水银球外围套一小玻璃管C,这样,溶液沸腾时,在气泡的带动下,使气液不断喷向水银球而自玻璃管上端溢出;小玻璃管C还可减少沸点周围环境(如空气流动或其它热源的辐射对温度计读数可能引起的波动,因此这样测得的温度就能较好地代表气液两相的平衡温度。分析平衡时气相和液相的组成,须正确取得气相和液相样品。沸点仪中蒸气的分馏作用会影响气相的平衡组成,使取得的气相样品的组成与气液平衡时的组成产生偏差,因此要减少气相的分馏作用。本实验中所用沸点仪