为什么实验中测定混合液的气液相组成

实验六双液系的气—液平衡相图

一、实验目的

1、绘制在标准压力下乙醇-正丙醇体系的沸点组成图;

2、熟练掌握测定双组分液体沸点的方法及用折光率确定二组分物系组成的方法;

3、掌握超级恒温槽、阿贝折射仪、气压计等仪器的使用方法。

二、实验原理

1、相图

任意两个在常温时为液态的物质混合起来组成的体系称为双液系。两种溶液若能按任意比例进行溶解，称为完全互溶双液系，如环已烷-乙醇、正丙醇-乙醇体系都是完全互溶体系。若只能在一定比例范围内溶解，称为部分互溶双液系，例苯-水体系。

在完全互溶双液系中，有一部分能形成理想液态混合物，如苯-甲苯系统，二者的行为均符合拉乌尔定律，但大部分双液系是非理想液态混合物，其行为与拉乌尔定律有偏差。

液体的沸点是指液体的蒸气压与外界压力相等时的温度。在一定外压下，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，而且还与两种液体的相对含量有关。双液系两相平衡时的气相组成和液相组成并不相同。

通常用几何作图的方法将双液系的沸点对其气相和液相的组成作图，所得图形叫双液系的沸点T(或t)-组成(x)图，即T（或t）—x图。它表明了沸点与液相组成和与之平衡的气相组成之间的关系。

在恒定压力下，二组分系统气液达到平衡时，其沸点-组成（t-x）图分三类：

(1)混合液的沸点介于A、B二纯组分沸点之间。这类双液系可用分馏法从溶液中分离出两个纯组分。如苯-甲苯系统，此时混合物的行为符合拉乌尔定律或对拉乌尔定律的偏差不大。如图5-1(a)所示。

(2）有最低恒沸点体系，如环已烷-乙醇体系，t—x图上有一个最低点，此点称最低恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大正偏差，如图5-1(b)所示。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。

(3）有最高恒沸点体系，如氯仿-丙酮体系，t—x图上有一个最高点，此点称最高恒沸点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，此时混合物的行为对拉乌尔定律产生最大负偏差，如图5-1(c)所示。对于这类的双液系，用分馏



法不能从溶液中同时分离出两个纯组分。

图5-1 二组分系统的沸点-组成图

本实验选择了乙醇—正丙醇体系，其相图见图5-1(a)。

2、绘制沸点-组成图

原理：如图5-1(a)所示，上面一条线是气相线，下面一条线是液相线，对应于同一沸点温度T下的两曲线上的两个点V，L，气液成平衡时的气相点和液相点，其相应的组成可从横轴上获得。因此如果在恒压下对溶液进行蒸馏，在气液达平衡后，同时测定气相组成、液相组成和溶液的沸点就能绘出t—X图。

二组分完全互溶液系达气液两相平衡时，F=2-2-1=1，当温度恒定时，两相（气相、液相）的组成是恒定的，当体系的总组成一定时，由杠杆规则可知，两相的相对量也是一定的。反之，在一定的实验装置中，利用回流的方法保持气、液二相的相对量一定，则体系温度保持恒定，待两相平衡后，取出两相的样品，分析两相的组成，在沸点-组成图上，找出一对坐标点。改变体系总组成，再如上法找出另一对坐标点，这样测得若干对坐标点（T，X,Y），将所有的气相点连起来，所有的液相点连起来，即得到了t-X图。

3、沸点仪

测定沸点的装置叫沸点测定仪(如图5-2所示)。这是一个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，用以收集冷凝下来的气相样品。电流通过浸入溶液中的电阻丝。这样既可减少溶液沸腾时的过热现象,还能防止暴沸。（因为电热丝的粗表面起沸石作用）测定时，温度计水银球要一半在液面下，一半在气相中，以便准确测出平衡温度。用弯头取样管从气相冷凝小槽中取样分析气相组成，用短管从侧磨口取样分析液相组成。

二元液系相图用excel画的步骤如下：

1、在Excel中创建数据表格，将你所知道的液相体系的成分和相行为（例如固液共存、液液共存）的温度和组成数据输入到其中。

2、将表格中的数据根据成分浓度和相行为进行分类。

3、选中所有数据，并在Excel菜单栏中选择“插入”>“散点图”。

4、右键单击散点图，选择“更改图表类型”，在弹出的“图表类型”窗口中选择“XY(散点图)”类型的“气泡型散点图”。

5、在“气泡型散点图”窗口中，为横轴和纵轴分别指定两个组分，将相变数据对应的点按“相”属性进行分类和标记。

6、选择相应的配色方案，加入轴标题、图例、数据标记、垂直直线等元素。

7、对图表的格式进行调整，以适应所要求的样式和布局。这样就可以在Excel中制作出二元液系相图了。需要注意的是，在制作图表时应该确保数据的准确性和可靠性。

用测定沸点和气相液相的折射率来绘制二组分完全互溶双液系相图，具有以下优点：

精度较高：相比于其他实验方法，例如重量法和浓度法等，使用沸点和折射率法绘制相图的误差较小，可以得到较为准确的结果。

实验条件简单：测定沸点和折射率的实验条件比较简单，只需要一些基本的实验设备和化学药品，而且操作比较容易，不需要复杂的技术和专业的知识。

实验时间短：相比于其他实验方法，例如用电导率法和密度法等来绘制相图，使用沸点和折射率法可以在较短的时间内得到结果，可以提高实验效率。

实验成本低：用沸点和折射率法绘制相图的实验成本比较低，需要的化学药品和实验设备都比较常见，可以在较小的预算范围内完成实验。

总之，用测定沸点和气相液相的折射率来绘制二组分完全互溶双液系相图，是一种简单、精确、快速、经济的实验方法。

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