物理化学实验报告-双液系
双液系的气液平衡相图[1]
杨岳洋2015012012 材54
同组实验者：戴凡琪
实验日期：2017/3/30
提交报告日期：2017/4/6
助教：许国闯
1 引言
1.1实验目的
（1）用沸点仪测定常压下环己烷-乙醇的气液平衡相图。（2）掌握阿贝折射仪的使用方法。
1.2实验原理
图1 实验预习报告实验原理部分
图2 三类溶液相图
2 实验操作
2.1 实验药品、仪器型号及测试装置
示意图
沸点仪，调压器，阿贝折射仪，超级恒温槽
（DC-0510，宁波新芝生物科技股份有限公司），
1/10℃温度计，酒精温度计，滴管，放大镜。
环己烷（分析纯，北京化工厂），无水乙醇
（分析纯，北京化工厂），各种浓度的环己醇-
乙醇混合溶液。
图3沸点仪
1.冷却水入口
2.气相冷凝液贮存小泡
3.温度计
4.喷嘴
5.电炉丝
6.调压器
2.2 实验条件（实验温度、湿度、压力等）
实验温度：13.5℃
湿度：40％
压力：100.12kpa
2.3实验操作步骤及方法要点
2.3.1 工作曲线的配置及折射率的测定
（1）按顺序排列好已经干燥的5个具塞锥形瓶，分别具塞称重并及记录。
（2）分别加入1ml、2ml、3ml、4ml、5ml环己烷，称重。
（3）再分别加入1ml、2ml、3ml、4ml、5ml无水乙醇，称重并摇匀。
（4）用阿贝折射仪分别测定上述溶液、无水乙醇和环己烷的折射率。
（5）绘制工作曲线
2.3.2 检查待测样品浓度
通电加热之前检查沸点仪内的溶液的折射率是否合适，如果不符合要求，需要添加乙醇或环己烷进行调整。
2.3.3 测定各溶液达到汽液平衡时的气相和液相组成
打开冷却水，接通电源，慢慢调节调压器电压进行加热，直到溶液沸腾或者出现小气泡，再将电压调到33V。待温度恒定后，记下该温度值，关电压，停止加热，同时在小泡中取气相冷凝液，迅速测定折射率，液相溶液稍冷后，用滴管将溶液搅拌均匀后，取适量测定折射率。
2.4注意事项
(1) 注意调压器标示，加热电阻丝的电压不得超过35 V。
(2) 温度稳定后才可取样分析。
(3) 取样后滴管不可倒置。
(4) 阿贝折射仪棱镜面不可触及硬物。棱镜上加入被测溶液后要立即关闭镜头。实验中必须使用同一台阿贝折射仪。
(5) 实验中需要在沸点仪的冷凝管中通入冷却水，使气相全部冷凝。
3 结果与讨论
3.1原始实验数据
表1工作曲线原始数据
编号瓶重/g 加环己烷重
/g
加乙醇/g 折射率n
128.1615 28.8163 32.7727 1.3679
2 34.9724 36.5724 39.7731 1.3761
328.5024 30.8854 33.3339 1.3863 427.8564 31.0058 32.5973 1.3987
529.5442 33.4701 34.2949 1.4079 6——仅加环己烷0 1.4278
7——0 仅加无水乙
醇
1.3658
表2 沸点-组分原始数据
编号环己烷质量
分数/%
沸点T/℃气相折射率液相折射率
10 78.12 1.3625 1.3631
2 10 73.80 1.3769 1.3639
330 67.33 1.3961 1.3740 469.5 64.19 1.4014 1.3959 590 63.99 1.4035 1.4096 696 68.00 1.4060 1.4209
7100 80.05 1.4236 1.4250
3.2计算的数据、结果
表3工作曲线数据处理
编号环己烷质量
分数w/w%
折射率n
114.2002 1.3679
2 33.3610
1.3761
349.3222 1.3863 466.4304 1.3987 582.6384 1.4079 6100 1.4278
70
1.3658
对于闭区间内的数据，使用多项式拟合[2] w= f(n) = A+Bn+Cn2拟合得到
A = -31365.16793,
B = 43490.78494,
C = -15025.64948
拟合度 r = 0.98607，如图4
w (w %)
折射率 (n)
图4 w-n 拟合曲线
利用拟合出的曲线，可以计算出气相、液相折射率所对应的溶液组分
表3沸点-组分处理数据
编号 气相环己烷质量分数w/w% 液相环己烷质量分数w/w% 沸点T/℃ 1 -2.68305 -1.16093 78.12 2 30.86204 0.85174 73.8 3 65.8955 24.60754 67.33 4 73.61511 65.58766 64.19 5 76.44032 83.89532 63.99 6 79.63088 94.75105 68 7
96.77693
97.74113
80.05
根据上表，采取修正Bezier 插值连接数据各点，得到环己烷-乙醇系统的T-w 相图如下
T (℃)
w (w%)
图5环己烷-乙醇双液系T-w 相图
从图中可以读出环己烷-乙醇体系的最低恒沸点为63.67℃，此时环己烷的质量分数为75.74%
3.3讨论分析
3.3.1对测定数据及计算结果的分析、比较
数据拟合中，拟合度 r =0.98607，数据拟合程度较高，说明所选用拟合模型与实际组分-折射率关系比较接近，可以用来判断给定折射率的环己烷-乙醇双液系的组分情况。
参考文献数据[3]，环己烷-乙醇体系的最低恒沸点为64.9℃，共沸时环己烷的质量分数为69.5%。本实验中测得的环己烷-乙醇体系的最低恒沸点为63.67℃，共沸物中环己烷的质量分数为75.74%，二者比较最低恒沸点相差不大，但是共沸时环己烷质量分数相差较大。
误差分析：
（1）温度校正中引入的误差：在进行温度校正的过程中，虽然采用了科学有效的校正方法和计算公式，但是由于测量仪器的精确度有限，而且露出体系外水银的平均温度和辅助温度计测得的温度不可能完全一致（特别是在橡胶塞内的那一部分水银柱并没有在校正过程中予以考虑），所以可能导致测量过程中的误差。
（2）实验条件改变：在测量过程中，虽然采用恒温槽使得阿贝折射仪的棱镜处于恒温状态，但其他仪器的实验条件很可能出现改变。这其中包括环境温度和气压的改变导致沸点仪所处环境的改变。
（3）测量体系的改变：在实验数据的处理过程中认为测量体系的组成没有变化，但是在实际情况下，很可能由于操作原因改变测量体系的组成。具体而言，在从沸点仪取样的过程中，以及进行折射率测量时，体系会有微量蒸发，从而使得体系的组成发生变化，即所测得的组成与液相和气相的实际组成不完全一致。
（4）测定仪器的误差：测量过程中使用了刻度尺（测器外度数）和阿贝折射仪，温度计等仪器。由于系统误差，测得数据与实际可能有所差异，导致测量结果的误差
3.3.2对实验过程中出现的异常现象进行分析
本次试验过程中发生的异常现象：无
本次实验较为顺利，没有发生意外状况，所测数据比较合理，这与我和同伴提前一起做了充足的预习以及认真听助教的讲解有关。
3.3.3对仪器装置、操作步骤、实验方法的改进意见。
（1）建议给滴管标号清晰一些，吸取溶液用的滴管比较多，但是有的标号已经没有了，导致在使用过程中不能很好地区分哪些是用过的那些还不能使用。
（2）取环己烷的移液管貌似只有一个，取无水乙醇有三个，看看能不能调的均衡一些。
（3）在本次实验过程中，数据是人为判读和记录的，因此很可能会引入人为造成的偶然误差，如果条件允许可考虑采用数字式温度计进行温度记录。。
（4）重复实验以消除误差.实验中如果时间允许，最好用阿贝折射仪对气相和液相的折射率进行多次测量，取平均值作为结果，这样可以减小实验过程中的偶然误差。
4 结论
本次实验测定了一系列环己烷-乙醇标准溶液的折射率并绘制组分-折射率工作曲线，并测量了一系列质量分数的环己烷-乙醇双液系在各自沸点下的气相冷凝液及液相的折射率，根据工作曲线将折射率换算为组分，并绘制了环己烷-乙醇系统的T-w相图。
根据本实验结果可以得出，在常压下，环己烷-乙醇体系的最低恒沸点为63.67℃，此时环己烷的质量分数为75.74%
5 参考文献
[1] 贺德华，麻英，张连庆，基础物理化学实验.北京：高等教育出版社，2007:76-80.
[2]刘茹,蔡邦宏. 拟合曲线对气——液平衡相图绘制实验的影响[J]. 广东化
工,2015,(03):32+19.
[3] Ponton, Jack (September 2001). "Azeotrope Databank" (Queriable database). The Edinburgh Collection of Open Software for Simulation and Education, Edinburgh University. Retrieved 24 March 2007.
6 附录
思考题：
（1）使用阿贝折射仪时要注意些什么问题？如何正确使用才能测准数据？
答：使用阿贝折射仪的时候注意加液时不要划伤棱镜。
为了得到准确的数据，使用阿贝折射仪的时候注意加液后要立即关闭棱镜盖以防挥发；要微调物镜消除色差；待棱镜干燥后才可以进行下一次测量。
（2）收集气相冷凝液的小泡的体积太大，对测量有何影响？
答：如果小泡体积太大，每次测量后可能会导致液相的组分有比较大的变化，导致测量不准
（3）平衡时，气液两相的温度应不应该一样？实际是否一样？怎样防止温度的差异？答：平衡时气液两相的温度应该一样。实际因为外界温度比体系温度低，会使气相温度存在梯度，低于液相的温度。可以对气体保温从而减小这一梯度。
（4）溶液沸腾后，如何控制条件使温度恒定？
答：适当减小加热电压。
7 收获与建议
本次实验所做相图与我们材料学院所学课程关系比较紧密，根据所学材料科学有关的知识，相对于其他方法，本实验画相图的方法比较简单易于操作，对设备要求比较低。
此外，本实验中再一次使用了阿贝折射仪（上一次使用还是在有机实验中），由于之前有过使用经验，所以此次实验中基本没有出现问题，操作起来比较顺畅。
另外，可以结合物化相关知识通过查文献计算出气——液平衡相图并与试验结果进行对照。
最后，感谢我的搭档戴凡琪同学，和他一起做实验感到非常开心，我们能够一起克服困难也给我留下了难忘的回忆；同时也感谢助教老师细心地讲解，在我们有疑问的时候能够悉心为我们解答。
建议：正如在讨论分析中提到的，希望能在一些仪器上进行一些完善。