环己烷-乙醇气液平衡相图绘制实验设计方案
环己烷-乙醇气液平衡相图的绘制实验设计方案 本文关键词：环己烷，相图，乙醇，绘制，设计方案
环己烷-乙醇气液平衡相图的绘制实验设计方案 本文简介：化工实验技能竞赛实验设计方案环己烷-乙醇气液平衡相图的绘制一．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。4.掌握用沸点仪测沸点的方法二．实验原理两种液体物质混合而成的两组分体系
环己烷-乙醇气液平衡相图的绘制实验设计方案 本文内容：
化工实验技能竞赛实验设计方案
环己烷-乙醇气液平衡相图的绘制
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。
4.
掌握用沸点仪测沸点的方法
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。
图1
二组分真实液态混合物气－液平衡相图（T－x）
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
仪器
数量
仪器
数量
沸点仪
1
阿贝折射仪
1
调压变压器
1
滴管
10ml量筒
1
试管
移液管
1
擦镜纸
若干
超级恒温水浴
1
容量瓶
6
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。
阿贝折射仪
1.原理
当一束单色光从各向同性的介质1中进入各向同性的介质2时，如果光线传播方向不垂直于二介质的界面，则会发生折射现象。见图。在温度、压力和光的波长一定的条件下，若入射角和折射分别为θ1和θ2，光在介质1和介质2中的传播速度分别为v1和v2，根据斯内尔（Snell）定律，可有下列关系式：
式中n1,2,称为介质2对介质1的折射率。若介质1为真空，则n称为绝对折射率；即：
式中，v真为光在真空中的传播速度，v介为光在介质中的传播速度。
折射率不仅随物质不同而不同，而且还与光的波长、介质中的温度有关。光的波长通常选用589nm（纳米线D）。一般将波长标在折射率n的右下角，温度标在右上角，即ntD。应该指出压力对折射率亦有影响，对大多数液体试样，压力影响约为３×10﹣10/Pa,固体试样就更小，因此只有在精密测量中才予以校正。
由（1）式可知，当n1,2>1时，入射角θ1必大于折射角，即光线由第一种介质进入第二种介质时必折回法线。在相同条件下，由于N1,2是常数，故当θ1增大时，θ2亦相应增大，当θ1=90°时，对应折射角θc称为临界折射角。见图。显然，对于入射角为0~90°的入射光线，折射后都相应落在临界折射角θc之内称为亮区，而θc之外则称为暗区，这时若在M处置一目镜，则镜上将出现半明半暗的图像。
根据（1）和（2）式，则有
式中n1、n2分别为介质1和介质2的绝对折射率。
若介质1为试样，介质2为玻璃棱镜，且棱镜的折射率为意已知，由（3）式可见，只要测得θc即可求出试样折射率。阿贝折射仪就是根据这个原理而设计的。
2.结构
右图是阿贝折射仪的外形图，右下图是光的行程图。它的核心部分是由两块在折射率为1.75的玻璃棱镜组成的棱镜组。下边一块是辅助棱镜8（P1）,其斜面是磨砂的。上面一块的是测量棱镜10的（P2）,其斜面这是高度抛光的。两块棱镜之间留有微小缝隙（约0.1~0.15mm），其中可以铺展一层待测液体试样。入射光线经反射镜6反射至辅助棱镜8后，在其磨砂斜面上发生漫射，所产生的漫射光线透过是试样液层，在试样与测量棱镜的界面上发生折射，所有折射光线的折射角都落在临界折射角θc之内。具有临界折射的光线射出棱镜P2经阿密西（Amici）棱镜（A1、A2）消除色散，在经聚焦自己后射于目镜上，此时，若目镜的位置适当，则在目镜中可看到半明半暗的图像。在仪器构造上，刻度盘与棱镜组是同轴的。实验时，转动读书手柄，调节棱镜组的角度，使明暗分界线正好落在十字线的交叉点上，这时，从读数标尺上就可读出试样的折射率。
由于实验使用的是白光，在其通过棱镜后，将产生色散现象，致使目镜中明暗界线不清。为此，在仪器的测量望远镜下方设计一套消色散装置，它由两块相同的可以反向转动的阿密西棱镜组成，调节两棱镜的相对位置就可使色散消失，这时所测得的折射率和用钠光D线索测得的折射率相同。
因为折射率与温度有关，故在棱镜组外面装有恒温夹套，通以恒温水，则可测定物质在指定温度下的折射率。
3.使用方法
（1）、仪器安装：将阿贝折射仪安放在光亮处，但应避免阳光的直接照射，以免液体试样受热迅速蒸发。用超级恒温槽将恒温水通入棱镜夹套内，检查棱镜上温度计的读数是否符合要求(一般选用(20.0±0.1)℃或(25±0.1)℃)
（2）、加样：旋开测量棱镜和辅助棱镜的闭合旋钮(十字形)，使辅助棱镜的磨砂斜面处于水平位置，若棱镜表面不清洁，可滴加少量丙酮，用擦镜纸顺单一方向轻擦镜面(不可来回擦)。待镜面洗净干燥后，用滴管加数滴试样于辅助棱镜的毛镜面上，迅速合上辅助棱镜，旋紧闭合旋钮。若液体易挥发，动作要迅速，或先将两棱镜闭合，然后用滴管从加液空中注入试样(注意切勿将滴管折断在孔中)。
（3）、调光：转动镜筒使之垂直，调节反射镜使入射光进入棱镜，同时调节目镜的焦距，使目镜中十字线清晰明亮。调节消色散补偿器(右侧旋钮)使目镜中彩色光带消失。再调节读数螺旋(左侧旋钮)，使明暗的界面恰好同十字线交叉处重合。
（4）、读数：从读数望远镜中读出刻度盘上的折射率数值。常用的阿贝折射仪可读至小数点后的第四位，为了使读数准确，一般应将试样重复测量三次，每次相差不能超过0.0002，然后取平均值。(左侧读数是液体浓度，右侧读数是液体的折射率)。
（5）、实验完毕后，要注意保养。
四．实验步骤
1．工作曲线的测定
用50ml容量瓶配制环己烷体积分数分别为0%，20%，40%，50%,60%，70%，80%，100%的环己烷-乙醇标准溶液。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－乙醇标准溶液的折射率。
2．测定待测溶液沸点和折射率
（1）测定溶液的沸点及平衡时气—液两相的折射率
将干燥洁净的沸点仪装置好，检查带有温度计的软木塞是否塞紧。从支管加入约40ml环己烷于烧瓶中，将电阻丝接在输出电压14V左右的变压器上，将液体缓缓加热，当液体沸腾后，待温度稳定5分钟后记下沸点。
（2）通过支管加入2ml乙醇，加热至沸腾，待温度计读数稳定5分钟不变时，记下沸点，并用手倾斜铁架台两到三次（目的是将气相冷凝倒回液相中，原因是刚沸腾使汽液两相并未达到平衡），当温度不变后，停止加热，用一支干燥的滴管，自冷凝管口伸入球形小室，吸取气相冷凝液（气相组成），再用一支干燥的滴管，从支管吸取溶液数滴（液相组成）。分别存放在事先准备好的干燥取样管中，立即盖好塞子，以防挥发。尽早测其折射率。
（3）依次再加入乙醇8，10，15
ml，按上述的方法测定溶液沸点和平衡时气-相折射率。
（4）将沸点仪中溶液倒入回收瓶。通过支管加入少量的淋洗乙醇洗沸点仪，淋洗液倒回原瓶，用电吹风吹干沸点仪。
（5）从支管加入40ml乙醇，用（1）法测定乙醇的沸点。
（6）依次加入环己烷2，
4，
6，
10
，10ml，用以上法测定平衡时的温度气相和液相的折射率。
（7）拔出电源插头，关闭冷凝水。将沸点仪中液体倒入回收瓶，用淋洗乙醚淋洗，在用电吹风吹干。
（8）将测出的气液相折射率，在工作曲线找到对应的百分组成并记录数据。
五．数据处理
1.工作曲线的测定
恒温槽温度：
℃；
大气压：
kPa
表1
环己烷－乙醇标准溶液的折射率
环己烷体积分数%
0
20
40
50
60
70
80
100
环己烷摩尔分数x环%
折射率
1
2
3
平均
2测待测液折射率及其沸点
表2
环己烷－乙醇混和液测定数据
环己烷-乙醇混合液（ml-ml）
沸点℃
气相组成
液相组成
折射率nD
X环%
折射率nD
X环%
乙醇
环己烷
1
2
3
平均
1
2
3
平均
0
40
2
8
10
15
40
0
2
4
6
10
10
1．作出环己烷－乙醇标准溶液的折射率－组成关系曲线。
2．根据工作曲线值求出各待测溶液的气相和液相平衡组成，填入表中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的沸点－组成(T-x)平衡相图。
3．由图找出其恒沸点及恒沸组成。
六．注意事项
1．加热电阻丝一定要被欲测液体浸没，否则通电加热时可能会引起有机液体燃烧；所加电压不能太大，加热丝上有小气泡逸出即可。
2．取样时，先停止通电再取样。
3．每次取样量不宜过多，取样管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。
4．阿贝折射仪的棱镜不能用硬物触及（如滴管），擦拭棱镜需用擦镜纸
5.阿贝折射仪使用时要注意保护棱镜，清洗时只能用擦镜纸而不能用滤纸等。加试样时不能将滴管口触及镜面。对于酸碱等腐蚀性液体不能使用阿贝折射仪。
6.
阿贝折射仪每次测定时，试样不可加得太多，一般只需要2～3滴即可。
7.
阿贝折射仪要注意保持仪器清洁，保护刻度盘。每次实验完毕，要在镜面上加几滴丙酮，并用擦镜纸擦干。最后用两层擦镜纸夹在两棱镜面之间，以免镜面损坏。
8.
阿贝折射仪读数时，有时在目镜中观察不到清晰的明暗分界线，而是畸形的，这是由于棱镜间未充满液体；若出现弧形光环，则可能是由于光线未经过棱镜而直接照射到聚光透镜上。
9.
阿贝折射仪若待测试样折射率不在1.3～1.7范围内，则阿贝折射仪不能测定，也看不到明暗分界线。
七、参考文献
1.仲恺农业工程学院化学化工学院物理化学实验讲义《双液系气-液平衡相图的测绘》。
2.
http://www.jsfw8.com/p-201229287592.html
3.
http://www.jsfw8.com/p-78847438890.html