用折光率確定二元液體組成的方法
簡介：任意兩個在常溫時為液態(tài)的物質混合起來組成的體系稱為雙液系。兩種溶液若能按任意比例進行溶解，稱為完全互溶雙液系；若只能在一定比例范圍內(nèi)溶解，稱為部分互溶雙液系。環(huán)己烷-乙醇二元體系就是完全互溶雙液系。
1. 目的要求
(1) 繪制在P0下環(huán)己烷-乙醇雙液系的氣-液平衡相圖，了解相圖和相律的基本概念。
(2) 掌握測定雙組分液體沸點的方法。
(3) 掌握用折光率確定二元液體組成的方法。
2. 基本原理
任意兩個在常溫時為液態(tài)的物質混合起來組成的體系稱為雙液系。兩種溶液若能按任意比例進行溶解，稱為完全互溶雙液系；若只能在一定比例范圍內(nèi)溶解，稱為部分互溶雙液系。環(huán)己烷-乙醇二元體系就是完全互溶雙液系。
液系蒸餾時的氣相組成和液相組成并不相同。通常用幾何作圖的方法將雙液系的沸點對其氣相和液相的組成作圖，所得圖形叫雙液系的沸點(T)組成(x)圖，即T—x圖。它表明了在沸點時的液相組成和與之平衡的氣相組成之間的關系。
圖Ⅱ-2-1雙液系的T-x圖
雙液系的T—x圖有三種情況：
(1)理想溶液的T—x圖(圖Ⅱ-2
(2）有最低恒沸點體系的T—x圖（圖Ⅱ-2-1b）和有最高恒沸點體系的T—x圖（圖Ⅱ-2
本實驗選擇一個具有最低恒沸點的環(huán)己烷—乙醇體系。在101.325KPa下測定一系列不同組成的混合溶液的沸點及在沸點時呈平衡的氣液兩相的組成，繪制T—x圖，并從相圖中確定恒沸點的溫度和組成。
測定沸點的裝置叫沸點測定儀(圖Ⅱ-2-2)。這是一個帶回流冷凝管的長頸圓底燒瓶。冷凝管底部有一半球形小室，用以收集冷凝下來的氣相樣品。電流通過浸入溶液中的電阻絲。這樣既可減少溶液沸騰時的過熱現(xiàn)象,還能防止暴沸。測定時，溫度計水銀球要一半在液面下，一半在氣相中，以便準確測出平衡溫度。
溶液組成分析。由于環(huán)己烷和乙醇的折光率相差較大，而折光率的測定又只需少量樣品，所以，可用折光率-組成工作曲線來測得平衡體系的兩相組成。阿貝(Abbe)折光儀的原理及使用詳見本書Ⅲ物理化學實驗規(guī)范。
圖Ⅱ-2-2沸點儀
1.溫度計 2.加液口 3.電熱絲4.分餾液取樣口 5.分餾液
3. 儀器 試劑
沸點測定儀 1個
阿貝 折光儀 1臺
直流穩(wěn)壓電源 1臺
取樣管 10支
環(huán)己烷(分析純)
無水乙醇(分析純)
4. 實驗步驟
(1) 純液體折光率的測定 ：分別測定乙醇和環(huán)己烷的折光率，重復2次～3次。
(2) 工作曲線的繪制：根據(jù)室溫下乙醇和環(huán)己烷的密度，精確配制環(huán)己烷的摩爾分數(shù)為0.1、0.2、0.3、0.4 …，1的乙醇溶液，配好后立即蓋緊，依次在室溫下測定各溶液的折光 率(本實驗中標準溶液已經(jīng)配好，同學們可直接測定)，繪制工作曲線。
應該指出的是，溶液的折光率是和溫度有關的。嚴格說來，折光率的測定應在恒溫條件下進行。
(3) 測定沸點-組成數(shù)據(jù)：
① 安裝沸點測定儀：將干燥的沸點測定儀按圖Ⅱ-2-2安裝好，檢查帶有溫度計的橡皮塞是否(塞緊。加熱用的電阻絲要靠近底部中心，溫度計的水銀球不能接觸電阻絲，而且每次更換溶液后，要保證測定條件盡量平行(包括水銀溫度計和電阻絲的相對位置)。
② 溶液配制：粗略配制環(huán)己烷的重量百分濃度為0.05，0.1，0.2，0.45，0.55，0.6，0.7，0.8，0.9等組成的環(huán)己烷-乙醇溶液約50mL(已配好)。
③ 測定沸點及平衡的氣～液相組成：取掉塞子，加入所要測定的溶液(約40mL)，其(液面以在水銀球中部為宜。接好加熱線路，打開冷凝水，再接通電源。調節(jié)直流穩(wěn)壓電源電壓調節(jié)旋鈕，使加熱電壓為10V～15V，緩慢加熱。當液體沸騰后，再調節(jié)電壓控制之，使液體沸騰時能在冷凝管中凝聚。使蒸氣在冷凝管中回流高度不宜太高，以
5. 數(shù)據(jù)處理
(1) 將實驗數(shù)據(jù)列表，格式如下：
室溫： 大氣壓：
記錄格式1
表Ⅱ-2-1 環(huán)己烷—乙醇標準溶液的折光率
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環(huán)己烷的 摩爾分數(shù) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00 |
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折光率 |
表Ⅱ-2-2 不同組成的環(huán)己烷-乙醇溶液的折光率
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溶液的大約組成 |
沸點/ |
折 光 率 |
組 成 | |
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氣 相 |
液 相 |
氣相 液相 | ||
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1 2 3 平均 |
1 2 3 平均 | |||
(2) 繪制工作曲線，即環(huán)己烷—乙醇標準溶液的折光率與組成的關系曲線。
(3) 根據(jù)工作曲線確定各待測溶液氣相和液相的平衡組成，填入表中。以組成為橫軸，沸點為縱軸，繪出氣相與液相的平衡曲線，即雙液系相圖。
(4) 由圖中確定最低恒沸點的溫度和組成。
(5) 文獻值：
① 環(huán)乙烷—乙醇體系的折光率-組成關系。
表Ⅱ-2-3
X乙醇X環(huán)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 標準壓力下的恒沸點數(shù)據(jù)。
表Ⅱ-2-4 標準壓力下環(huán)己烷—乙醇體系相圖的恒沸點數(shù)據(jù)
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沸點／℃ 乙醇質量分數(shù) X環(huán)己烷 |
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64.9 40 1 64.8 29.2 0.570 64.8 31.4 0.545 64.9 30.5 0.555 |
6. 注意事項
(1) 由于溫度計的一部分露出容器，所以這部分的溫度比所測體系的溫度低，因此有必要對水銀溫度計作露莖校正。校正方法見本書Ⅲ物理化學實驗規(guī)范。
(2) 在P0下測得的沸點為正常沸點。通常外界壓力并不恰好等于101.325kPa，因此應,對實驗測得值作壓力校正。校正式系從特魯頓(Trouton)規(guī)則及克勞修斯克拉貝龍方程推導而得。
△t壓／℃=(273.15+tA／℃)/10·(101325-p／Pa)/101325
式 中： △t壓——-由于壓力不等于101.325kPa而帶來的誤差；
tA——實驗測得的沸點；
p——實驗條件下的大氣壓。
(3) 經(jīng)校正后的體系正常沸點應為
t沸=tA+△t壓+△t露
7. 思考題
(1) 待測溶液的濃度是否需要精確計量?為什么?
(2) 本實驗不測純環(huán)己烷、純乙醇的沸點，而直接用P0下的數(shù)據(jù)，這樣會帶來什么誤差?
(3) 如果要測純環(huán)己烷、純乙醇的沸點，蒸餾瓶必須洗凈，而且烘干，而測混合液沸點和組成時，蒸餾瓶則不洗也不烘，為什么?
