双液系气－液平衡相图

一、实验目的

采用回流冷凝法测定环己烷－乙醇系统的沸点和气、液两相平衡组成。绘制T－x图。掌握阿贝折射仪和超级恒温器的使用方法。

二、实验原理

一个完全互溶双液系统的沸点与组成的关系有以下几种情况。溶液沸点介于两纯组分沸点之间，例如苯和甲苯系统；溶液有最低恒沸点，例如苯和乙醇、水与乙醇、环己烷与乙醇系统；溶液有最高恒沸点，例如水和卤化氢系统。图3－11表示具有最低恒沸点的双液系相图。图中下方区域表示液相区，上方区域表示气相区。曲线所围的区域表示气－液两相平衡区。下面的凹形曲线表示液相线，上面的凸形曲线表示气相线。等温的水平线段与气、液相线的交点表示该温度下互为平衡的两相的组成。绘制T－x图的方法如下：当总组成为X的溶液开始加热时，系统的温度沿虚线上升直至到达沸点。这时组成为Y的气相开始形成。X、Y两点即代表互为平衡的气、液两相的组成。继续加热蒸馏，气相量逐渐增加，沸点沿虚线继续上升，气、液两相组成分别在气、液相线上沿箭头指示方向变化。当两相组成分别达到X′和Y′时，若维持系统的总量不变，系统的气、液两相又重新达到平衡。平衡时两相内的物质量按杠杆原理分配。从相律来看，当压力恒定时，两组分系统在气－液两相共存区域中，自由度等于1。若温度一定，两相的相对量也一定。所以，待两相平衡后取出两相的样品，用物理或化学方法分析两相的组成，可得到在该温度下两相的组成坐标位置。然后改变系统的总组成，再如上法找出另一对坐标点。依次测得若干对坐标点后，分别按气相点和液相点连成气相线和液相线，即得T－x平衡相图。本实验是在沸点仪中蒸馏待测溶液，用阿贝折射仪分别测定馏出液中气相组成和母液中液相组成。所用系统为环己烷－乙醇系统，也可以用苯－乙醇系统和水－乙醇系统。

图3－11 双液系相图

三、仪器和试剂

1．仪器

FDY型双液系沸点仪 （1套，包括WLS数字恒流电源和SWJ精密数字温度计各1台），阿贝折射仪 （1台），超级恒温器 （1台），2cm3、5cm3、20cm3移液管各1支，长短滴管若干，洗耳球 （1个）。

2．试剂

环己烷 （AR）、无水乙醇 （AR）、镜头纸若干。

四、实验步骤

1．标准工作曲线的绘制

洗净烘干8个小滴瓶，冷却后准确称量其中6个。分别加入1cm3、2cm3、3cm3、4cm3、5cm3、6cm3的乙醇并分别称重。再依次加入6cm3、5cm3、4cm3、3cm3、2cm3、1cm3的环己烷并分别称重。旋紧瓶盖后摇匀。另外两个空的滴瓶分别加入无水乙醇和环己烷。即刻用阿贝折射仪测定这些样品的折射率。可作出折射率－重量百分组成工作曲线 （或由实验室提供）。

2．测定沸点和折光率

按图3－12装好沸点仪。温度传感器切勿与电热丝接触。接通冷凝水，量取40cm3环己烷从侧管加入蒸馏瓶中，传感器应浸入液体3cm左右。将加热丝接通恒流电源，打开电源及温度控制器的开关，将液体加热至沸腾，待温度基本恒定后记下沸点。切断电源 （关闭电源开关即可），用洁净干燥的吸管从小槽中吸取全部的气相冷凝液，立即用阿贝折射仪测定其折光率；用短吸管从侧管处吸取少量液体，再用阿贝折射仪测定其折光率。然后由蒸馏瓶的侧管加入0．6cm3乙醇，按上述步骤测定其沸点及气液两相的折射率。再依次加入0．6cm3、1cm3、4cm3、9cm3乙醇，做同样实验。

图3－12 沸点仪示意图

上述实验结束后，将溶液倒入回收瓶内。用少量乙醇洗涤蒸馏瓶。注入40cm3乙醇测定其沸点。然后依次加入1cm3、2cm3、4cm3、8cm3、24cm3环己烷，分别测定其沸点及气、液相样品的折射率。再将所测折射率用内插法在标准工作曲线上找出被测试样的组成，作沸点－组成图。

五、数据处理

按下表记录数据；作沸点－组成图，确定最低恒沸点的组成。

六、思考题

（1）实验中气、液两相是如何达到平衡的？平衡时，气、液两相温度是否相同？实际是否相同？怎样防止有温度差异？

（2）蒸馏器中收集气相冷凝液的容器的大小，对测量有何影响？

（3）用不同温度的折射率数据估算其温度系数，如不恒温，对折射率的数据影响如何？

（4）在沸点仪内的系统中，为什么说总组成就是原始溶液组成？在达到气、液平衡时，哪一部分液体为平衡的气相量？哪一部分液体为平衡的液相量？本实验所用的蒸馏器尚有哪些缺点？如何改进？

（5）为什么沸点仪的塞子必须塞紧？

（6）根据所得相图，讨论此溶液蒸馏时的分离情况。