用折光率确定二元液体组成的方法
简介：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；若只能在一定比例范围内溶解，称为部分互溶双液系。环己烷-乙醇二元体系就是完全互溶双液系。
1. 目的要求
(1) 绘制在P0下环己烷-乙醇双液系的气-液平衡相图，了解相图和相律的基本概念。
(2) 掌握测定双组分液体沸点的方法。
(3) 掌握用折光率确定二元液体组成的方法。
2. 基本原理
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；若只能在一定比例范围内溶解，称为部分互溶双液系。环己烷-乙醇二元体系就是完全互溶双液系。
液系蒸馏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)组成(x)图，即T—x图。它表明了在沸点时的液相组成和与之平衡的气相组成之间的关系。
图Ⅱ-2-1双液系的T-x图
双液系的T—x图有三种情况：
(1)理想溶液的T—x图(图Ⅱ-2-1a)，它表示混合液的沸点介于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。
(2）有最低恒沸点体系的T—x图（图Ⅱ-2-1b）和有最高恒沸点体系的T—x图（图Ⅱ-2-1c）。这类体系的T—x图上有一个最低和一个最高点，在此点相互平衡的液相和气相具有相同的组成，分别叫做最低恒沸点和最高恒沸点。对于这类的双液系，用分馏法不能从溶液中分离出两个纯组分。
本实验选择一个具有最低恒沸点的环己烷—乙醇体系。在101.325KPa下测定一系列不同组成的混合溶液的沸点及在沸点时呈平衡的气液两相的组成，绘制T—x图，并从相图中确定恒沸点的温度和组成。
测定沸点的装置叫沸点测定仪(图Ⅱ-2-2)。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。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。
溶液组成分析。由于环己烷和乙醇的折光率相差较大，而折光率的测定又只需少量样品，所以，可用折光率-组成工作曲线来测得平衡体系的两相组成。阿贝(Abbe)折光仪的原理及使用详见本书Ⅲ物理化学实验规范。
图Ⅱ-2-2沸点仪
1.温度计 2.加液口 3.电热丝4.分馏液取样口 5.分馏液
3. 仪器 试剂
沸点测定仪 1个
阿贝 折光仪 1台
直流稳压电源 1台
取样管 10支
环己烷(分析纯)
无水乙醇(分析纯)
4. 实验步骤
(1) 纯液体折光率的测定 ：分别测定乙醇和环己烷的折光率，重复2次～3次。
(2) 工作曲线的绘制：根据室温下乙醇和环己烷的密度，精确配制环己烷的摩尔分数为0.1、0.2、0.3、0.4 …，1的乙醇溶液，配好后立即盖紧，依次在室温下测定各溶液的折光 率(本实验中标准溶液已经配好，同学们可直接测定)，绘制工作曲线。
应该指出的是，溶液的折光率是和温度有关的。严格说来，折光率的测定应在恒温条件下进行。
(3) 测定沸点-组成数据：
① 安装沸点测定仪：将干燥的沸点测定仪按图Ⅱ-2-2安装好，检查带有温度计的橡皮塞是否(塞紧。加热用的电阻丝要靠近底部中心，温度计的水银球不能接触电阻丝，而且每次更换溶液后，要保证测定条件尽量平行(包括水银温度计和电阻丝的相对位置)。
② 溶液配制：粗略配制环己烷的重量百分浓度为0.05，0.1，0.2，0.45，0.55，0.6，0.7，0.8，0.9等组成的环己烷-乙醇溶液约50mL(已配好)。
③ 测定沸点及平衡的气～液相组成：取掉塞子，加入所要测定的溶液(约40mL)，其(液面以在水银球中部为宜。接好加热线路，打开冷凝水，再接通电源。调节直流稳压电源电压调节旋钮，使加热电压为10V～15V，缓慢加热。当液体沸腾后，再调节电压控制之，使液体沸腾时能在冷凝管中凝聚。使蒸气在冷凝管中回流高度不宜太高，以50px左右为好。如此,沸腾一段时间，待温度稳定后再维持3min～5min以使体系达到平衡，再记录沸点温度。然后停止加热，并立即测定气液两相的折光率。用盛有冰水的250mL烧杯套在沸点测定仪底部使体系冷却。用干燥滴管自冷凝管口伸入小球，吸取其中全部冷凝液。用另一支滴管由支管吸取圆底)烧瓶内的溶液约1mL。上述两者即可认为是体系平衡时气、液两相的样品。分别迅速测定它(们的折光率。每个样品测定完毕，应将溶液倒回原瓶，再以相同方法测另一样品，得到一系列不同组成的环己烷—乙醇的沸点及对应的气—液两相的折光率。根据这些数据，由工作曲线确定气—液两相的组成。
5. 数据处理
(1) 将实验数据列表，格式如下：
室温： 大气压：
记录格式1
表Ⅱ-2-1 环己烷—乙醇标准溶液的折光率
环己烷的 摩尔分数 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00 |
折光率 |
表Ⅱ-2-2 不同组成的环己烷-乙醇溶液的折光率
溶液的大约组成 | 沸点/0C | 折 光 率 | 组 成 |
气 相 | 液 相 | 气相 液相 | |
1 2 3 平均 | 1 2 3 平均 |
(2) 绘制工作曲线，即环己烷—乙醇标准溶液的折光率与组成的关系曲线。
(3) 根据工作曲线确定各待测溶液气相和液相的平衡组成，填入表中。以组成为横轴，沸点为纵轴，绘出气相与液相的平衡曲线，即双液系相图。
(4) 由图中确定最低恒沸点的温度和组成。
(5) 文献值：
① 环乙烷—乙醇体系的折光率-组成关系。
表Ⅱ-2-3 25℃时环己烷—乙醇体系的折光率一组成关系
X乙醇X环己烷 n25D |
1.00 0.0 1.35935 0.8992 0.1008 1.36867 0.7948 0.2052 1.37766 0.7089 0.2911 1.38412 0.5941 0.4059 1.39216 0.4983 0.5017 1.39836 0.4016 0.5984 1.40342 0.2987 0.7013 1.40890 0.2050 0.7950 1.41356 0.1030 0.8970 1.41855 0.00 1.00 1.42338 |
② 标准压力下的恒沸点数据。
表Ⅱ-2-4 标准压力下环己烷—乙醇体系相图的恒沸点数据
沸点／℃ 乙醇质量分数 X环己烷
64.9 40 1
64.8 29.2 0.570
64.8 31.4 0.545
64.9 30.5 0.555
6. 注意事项
(1) 由于温度计的一部分露出容器，所以这部分的温度比所测体系的温度低，因此有必要对水银温度计作露茎校正。校正方法见本书Ⅲ物理化学实验规范。
(2) 在P0下测得的沸点为正常沸点。通常外界压力并不恰好等于101.325kPa，因此应,对实验测得值作压力校正。校正式系从特鲁顿(Trouton)规则及克劳修斯克拉贝龙方程推导而得。
△t压／℃=(273.15+tA／℃)/10·(101325-p／Pa)/101325
式 中： △t压——-由于压力不等于101.325kPa而带来的误差；
tA——实验测得的沸点；
p——实验条件下的大气压。
(3) 经校正后的体系正常沸点应为
t沸=tA+△t压+△t露
7. 思考题
(1) 待测溶液的浓度是否需要精确计量?为什么?
(2) 本实验不测纯环己烷、纯乙醇的沸点，而直接用P0下的数据，这样会带来什么误差?
(3) 如果要测纯环己烷、纯乙醇的沸点，蒸馏瓶必须洗净，而且烘干，而测混合液沸点和组成时，蒸馏瓶则不洗也不烘，为什么?
