挥发性双液系T～X图的绘制教案邱金恒

南京大学化学化工学院物理化学实验教案邱金恒挥发性双液系T～X图的绘制一.实验目的1.用回流冷凝法测定沸点时气相与液相的组成，绘制双液系（环己烷～异丙醇的T～X图），并找出恒沸点混合物的组成及恒沸点的温度。2.了解阿贝折光仪的构造原理，熟悉掌握阿贝折光仪的使用。二.实验原理单组分液体在一定的外压下沸点为一定值，两种完全互溶的挥发性液体（A和B）组成的体系在一定温度下平衡时其气、液两相组成通常并不相同。实验中在恒压下将溶液加热至沸腾，记录沸点并分别测出气相和液相的平衡组成，就可绘出T～X图，用以表征二组分气液两相平衡体系。实际体系大多与拉乌尔定律有一定的偏差，是非理想溶液。对于两组分体系，根据正负偏差的大小它们的T～X图可分三类：①液体与拉乌尔定律的偏差不大，在T～X图上溶液的沸点介于A、B两物质之间（图a），如苯～甲苯体系。②实际溶液由于A、B两组分相互影响，常与拉乌尔定律有较大负偏差，在T～X图上出现最高点（图b），如盐酸～水体系；丙酮～氯仿体系；③由于A、B两组分混合后与拉乌尔定律有较大正偏差，在T～X图上出现最低点（图c），如水～乙醇体系；苯～乙醇等体系；②、③类溶液在最高点或最低点时气、液两相组成相同，这些点称为恒沸点，其相应的溶液称为恒沸点混合物，恒沸点混合物蒸馏无法改变其组成。平衡时气～液两相组成的分析，使用阿贝折射仪测定折射率。因为溶液的折射率与其组成有关，所以可从工作曲线获得组成数据。。提问：(1)何谓相图？你在以往的学习中认识了几种相图？何谓非理想溶液？(2)气液两相平衡的热力学判据是什么？实验中如何判定？实验用品1.仪器：蒸馏器1只，阿贝折光仪1台，温度计(最小分度0.1℃)1支，稳流电源(2A2.药品：环己烷（化学纯）、异丙醇（化学纯）实验步骤1.配制含异丙醇约5%、10%、15%、25%、35%、50%、75%、85%、90%、95%质量的环己烷溶液。（实际已配制）2.温度计校正：将蒸馏器用丙酮洗净并用电吹风干燥后，用漏斗从加料口处加入异丙醇约25ml，使温度计水银球的位置一半浸入溶液中，一半露在蒸气中，通电加热时溶液沸腾（电流不超过2A），待温度恒定后，记录所得温度和室内大气压力。停止通电，倾出异丙醇到原瓶中。教学内容1.干燥蒸馏器提问：以后是不是每次加新的溶液之前都要干燥？为什么？2.温度计校正方法：通过测定纯异丙醇的沸点与实际理论沸点相比较得到温度计误差。用漏斗从加料口向蒸馏器中加入异丙醇，需要浸没温度感应器的末端；加热丝一定要完全浸没，否则通电加热会引起有机液体燃烧。溶液加入后才能通电加热，调节电流不超过仪器所标定的数值。夹子要夹在光滑的地方。如果加热时没发现有气泡，可能电热丝不通电，用砂纸擦擦。温度稳定后读数，停止加热，溶液倒回原瓶。记录室内气压，利用书后公式计算异丙醇理论沸点，校正热敏电阻温度计的系统误差。提问：用纯物作温度计校正要注意什么？3.在蒸馏器中加入25ml含有异丙醇约为5%的环己烷溶液，打开冷却水，同法加热使溶液沸腾。最初在冷凝管下端袋状部的液体不能代表平衡时气相组成，为加速达到平衡可将袋状部倾回蒸馏器底部，并反复2—3次，待温度示数恒定后记下沸点并停止加热。随即在冷凝管上口插入长吸管吸取袋状部的蒸出液，迅速测定其折光率。再用另一根短的吸液管，从蒸馏器的加料口处吸出液体测定其折光率。迅速测定是防止由于蒸发而改变成分。每分样品只需读数3次。完毕，将蒸馏器中溶液倒回原瓶。教学内容3．阿贝折光仪的使用及校正（结合仪器操作讲解）阿贝折光仪主要部分是由两个直角棱镜构成，其中斜面粗糙的是辅助棱镜，而光滑的是测量棱镜，使用时用滴管滴入2-3滴待测液体于辅助棱镜的毛玻璃上，合上棱镜，扭紧闭合旋钮。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，再调节读数旋钮，使目镜中呈半明半暗状态，并且明暗界面恰好落在十字线的交叉处。望远镜中有两组数据，右边0-1.7的是折光率，左边代表蔗糖的浓度。我们只需读出折光率就可以了。每个样品折光率需重复读数三次。温度由温度计读出。阿贝折光仪使用之前要用纯水进行校正，温度对液体的折射率有影响，250C时水的折光率为1.3325，温度每升高10C，水的折光率降低110-4，有机物通常降低410-（1）如果棱镜表面不清洁，可滴几滴丙酮，用擦镜纸沿单一方向轻擦镜面。（2）测试完后棱镜镜面再用丙酮清洗一下，最后用擦镜纸夹在两镜面，以防镜面损坏。（3）有腐蚀性的液体如强酸强碱以及氟化物，不能使用阿贝折光仪进行测定。阿贝折光仪仪器使用前要先用纯水校正，用丙酮清洗（4）测折光率动作要快，尽可能减小因为蒸发改变组成。提问：阿贝折光仪的使用要注意什么？折光率的测定及数据的使用要作什么校正？如何校正？4.同法用含有异丙醇约为10%、15%、25%、35%、50%、75%、85%、90%、95%的环己烷溶液进行实验，各次实验后的溶液均倒回原瓶。实验过程中应注意室内气压的读数。教学内容4．测定溶液的气、液相平衡组成（结合操作讲解）本实验一定要记录室温和气压，数据处理时需要。最初在冷凝管下端袋状部的液体不能代表平衡时气相组成，为加速达到平衡可将袋状部倾回蒸馏器底部，并反复2—3次，待温度示数恒定后记下沸点并停止加热。随即在冷凝管上口插入长吸管吸取袋状部的蒸出液，迅速测定其折光率。再用另一根短的吸液管，从蒸馏器的加料口处吸出液体测定其折光率。迅速测定是防止由于蒸发而改变成分。每分样品只需读数3次。完毕，将蒸馏器中溶液倒回原瓶。实验记录及数据处理1.温度计校正：实际大气压p=100.3kPa，p0=101.325kPa，异丙醇沸点Tob=355.5K根据公式，得出Tb=82.0℃实验测得为80.2℃，则温度校正为2.折光率校正：室温为13.4℃实验测定值：1.3335，1.3337，1.3336平均为1.3336折光率仪器零点校正：-0.0006测定温度折对工作曲线温度的校正为+2.7*10-3。3.标准工作曲线的绘制：表1与异丙醇质量百分数关系1.42801.42371.42081.41951.41571.41401.4117异丙醇质量百分数0%7.85%12.79%15.54%22.02%25.17%29.67%1.41041.40771.40561.40101.39091.3800异丙醇质量百分数32.61%37.85%41.65%51.72%74.05%100%4.数据记录表2实验数据表（均为经仪器零点及温度校正过的数据）序号异丙醇粗浓度沸点（℃）气相折光率测定液相折光率测定123平均123平均195%81.21.38171.38161.38111.38151.37651.37691.37681.3767290%79.61.38291.38321.38321.38311.37741.37761.37781.3776385%79.81.38321.38351.38301.38321.37741.37721.37701.3772475%75.91.39481.39511.39481.39491.38051.38041.38061.3805550%71.01.40291.40281.40321.40301.38671.38611.38661.3865635%69.91.40521.40521.40541.40531.39911.39891.39901.3990725%70.11.40681.40721.40711.40701.40941.40961.40981.4096815%70.71.40761.40801.40791.40781.41121.41111.41141.4112910%71.51.40811.40791.40791.40801.42241.42261.42221.4224105%73.31.40901.40901.40911.40901.42311.42301.42321.42315.绘制T~X相图表3T～X数据沸点温度(℃)81.279.679.875.971.069.970.170.771.573.3气相异丙醇含量(%)90.286.386.459.242.137.534.132.632.130.2液相异丙醇含量(%)10099.999.992.778.250.429.126.16.275.1环己烷~异丙醇双液系相图由上图可知，体系最低共沸点为68.4℃六、实验注意事项：1)电阻丝不能露出液面，一定要被欲测液体浸没，通电电流也不能太大，能使欲测液体沸腾即可。2)一定要使体系达到气、液平衡，即温度读数恒定不变。3)实验过程中必须先通冷却水，以使气相全部冷凝。4)使用阿贝折光仪时，如果棱镜表面不清洁，可滴几滴丙酮，用擦镜纸沿单一方向轻擦镜面。测试完后镜面再用丙酮清洗一下，最后用擦镜纸夹在两镜面，以防镜面损坏。有腐蚀性的液体如强酸强碱以及氟化物，不能使用阿贝折光仪进行测定5)测折光率时速度要快，防止因为蒸发改变组成，导致误差。6）取样测折光率前先关加热电源，否则再抽去气相组成后，蒸馏瓶内液体会重新分配达到新的气液平衡，这就给液相组成测量带来了误差。七、思考题1.蒸馏其中收集气相冷凝液的袋状部的大小对结果有何影响？答：袋状部不能够太大，太大收集的液体就是一段很长时间内蒸馏所得的液体的总和，含有较多非平衡时的气相冷凝液，偏离平衡时气相组成。袋状部太小，就无法够收集足够的气相冷凝液。2.蒸馏时因仪器保温条件欠佳，T~X图将怎样变化？答：可以认为保温欠佳是从蒸气离开液面开始。液相点基本不变，而气相点会向恒沸点方向移动（恒沸点两侧情况相同），从而引起整个T~X图图形变胖。恒沸点只与外压有关，所以保温不好理论上不会改变恒沸点，但实验中不可能直接测定恒沸物，所以数据及作图误差可能改变恒沸点。3.你认为本实验所用的蒸馏器尚有哪些缺点？如何改进？答：（1）装置的整体保温效果不佳，在烧瓶的上部可以加上保温套，否则会在这一空间形成温度梯度，造成进入袋状部分的液体不是平衡时候气相部分的组成。（2）在直形冷凝管得上部有可能造成气相部分的挥发，导致袋状部分的平衡组成改变，也会带来误差，可以加长直形冷凝管。4.试估计哪些因素是本实验误差的主要来源。答：（1）溶液恒温回流过程做得不好是本实验最主要误差所在。袋状部分的组成可能由于回流不够，或者未达到平衡温度，而不能够代表平衡温度下的气相组成。（2）室温的读数误差，此误差将影响校正值的大小。（3）折光率测量偏差，因为有机液体易挥发，测定的速度必须很快，否则就会引入误差。5.试推导沸点校正公式：。（4）答：根据公式：（克劳修斯-克拉贝龙方程）和（特鲁顿法则），得：即所以：移项即可得所求的公式。讨论具有最低恒沸点的双液系很多，如环己烷～乙醇体系，苯～乙醇体系以及本实验的环己烷～异丙醇体系。上述体系中苯～乙醇体系可以精确绘制出T～X。其余体系液相线较为平坦，T～X图欠佳，但苯有毒，故未选用。如果已知溶液的密度与组成的关系曲线也可以由测定密度来定出其组成。但这种方法往往需较多的溶液量，而且费时，而使用测定折光率的方法，简便且液体用量少，但它要求组成体系的两组分的折光率有一