沸騰時間對環乙烷—乙醇氣液平衡相圖繪制實驗的影響

任冬梅　侯淑華　王鑫　夏云生　包德才

摘 要：考察了環己烷-乙醇體系沸騰時間對相圖繪制的影響。結果表明，不同配比的環己烷-乙醇的沸點及氣相組成隨沸騰時間變化趨勢不同，進而導致不同樣品的最優取樣時間不同。低乙醇含量（8.5%及14%）樣品沸騰5～9min取樣最佳，高乙醇含量（60%及90%）樣品最優氣相取樣時間為樣品沸騰5～21min，乙醇含量接近恒沸組成（32%及48%）的樣品沸騰即可取樣。

關鍵詞：相圖；環已烷；乙醇；沸騰時間

中圖分類號：O64 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0022-04

Abstract： The influence of boiling time of cyclohexane-ethanol system on phase diagram drawing was investigated. The results show that the boiling point and gas composition of cyclohexane-ethanol with different ratios vary with boiling time， which leads to different optimal sampling time of different samples. The sample with low ethanol content （8.5% and 14%） was the best for boiling 5～9 min， while the sample with high ethanol content （60% and 90%） had the best sample boiling time （5～21 min） and the ethanol content was close to the azeotropic composition （32% and 48%）.

Keywords： phase diagram； cyclohexane； ethanol； boiling time

相圖是體系相平衡的幾何圖示，在材料、化工及冶金等領域有著極為重要的應用[1-3]，因此“雙液系氣液平衡相圖的繪制”都是高等學校物理化學實驗課中化學熱力學部分重要的實驗內容。目前，各學校通常選用環己烷-乙醇為研究體系，通過測定加熱至沸點的該混合物的氣相及液相物質折光率，完成雙液系氣液平衡相圖的繪制[4-7]。

在對液體進行加熱的過程中，為使體系達到相平衡需要經常傾倒沸點儀凹形小球中的冷凝液。但傾倒操作過程中沸點儀的冷凝管部分連接著冷水源，圓底燒瓶部分電熱絲正處于加熱狀態，這使得傾倒過程十分麻煩且存在安全隱患[8]。更為重要的是，各實驗教材中對沸騰樣品的取樣時間未加詳細描述，這常常造成學生測定的氣相樣品組成產生偏差，所做的相圖不易連成平滑曲線，更有甚者根本無法繪出相圖，實驗失敗。

本文采用靜態加熱法，即實驗操作過程中未使用傾倒實驗操作，著重考察了采用配樣法繪制氣液平衡相圖過程中不同環已烷-乙醇混合溶液的沸點及氣相組成隨沸騰時間的變化規律，以期為提高實驗成功率提供依據。

1 實驗儀器與試劑

儀器：沸點儀，阿貝折光儀，溫度計，穩流電源，加熱絲，熱電偶，膠頭滴管，鏡頭紙。

試劑：無水乙醇（AR），環已烷（AR），丙酮（AR）。

2 實驗步驟

2.1 環已烷-乙醇折光率與組成工作曲線的繪制

精確配制乙醇摩爾分數（xethanol）為0.1，0.2，0.3，0.4，

0.5，0.6，0.7，0.8，0.9的環已烷-乙醇溶液，在室溫下依次測定各溶液的折光率，繪制n18-xethanol工作曲線（如圖1）。

通過對圖1中的n18-xethanol工作曲線進行二次方擬合得到了18℃時的方程為n18=1.43026-0.055858x-0.01193x2，R2為0.99673。

2.2 連續加料法環已烷-乙醇體系氣液平衡相圖繪制

從沸點儀支管依次加入25ml無水乙醇及1ml環己烷，塞緊瓶塞。將加熱絲從沸點儀的主管浸沒在混合液體中，并調節好溫度計水銀球位置。開啟冷凝水，調節變壓器電壓使樣品受熱升溫至沸點，停止加熱。分別取冷凝管凹處的氣相冷凝液及蒸餾器中的液相冷凝液，迅速用阿貝折光儀測定其折光率，記為n18（g）及n18（l）。而后依次將2.0、3.0、4.0、5.0、6.0ml環己烷加入上述混合溶液中，重復上述步驟，分別測定混合樣品的沸點、氣相冷凝液及液相冷凝液的折光率。將沸點儀內剩余的溶液倒入回收瓶，并用環己烷清洗沸點儀2-3次。從沸點儀支管依次加入25ml純環己烷，按照上述步驟，依次測定無水乙醇加入量為0.2、02、0.2、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0及6.0ml時樣品的沸點、氣相冷凝液及液相冷凝液的折光率。

2.3 配樣法環已烷-乙醇體系的沸點及折光率的測定

配制無水乙醇體積分數為8.5%、14%、32%、48%、60%及90%的環已烷-乙醇混合溶液。自沸點儀支管加入25 ml 8.5%乙醇樣品，并按2.2中方法加熱樣品至沸點。在不同沸騰時間，分別取冷凝管凹處的氣相冷凝液及蒸餾器中的液相冷凝液，迅速用阿貝折光儀測定其折光率，每個樣品讀數三次，取其平均值，記為n18（g）及n18（l）。剩余溶液全部倒入原瓶回收。同樣方法測定所有樣品的折光率。

3 結果與討論

3.1 連續加料法環已烷-乙醇體系氣液平衡相圖繪制

圖2給出了連續加料法所繪制的環己烷-乙醇氣液平衡相圖。由圖可見，在18℃、102.45kPa的環境下采用連續法所繪制的曲線由于測定點較多，圖形完整度較高。所繪制的相圖中最低恒沸點出現在65.14℃左右，最低恒沸物組成在乙醇的摩爾分數為0.44～0.46處，這與恒沸組成xethanol為0.45，恒沸溫度為64.90℃的理論值幾乎相同[9，10]。因此該圖可做為配樣法的參考圖形。

3.2 8.5%及14%乙醇樣品的沸點及折光率的測定

圖3（A）為8.5%乙醇樣品的沸點及氣相組成隨沸騰時間的變化曲線。由圖可見，樣品從初沸至沸騰10min沸點維持在73.0℃，而后隨著沸騰時間的增加沸點不斷上升，15min后沸點穩定在80.6℃。而相應的氣相樣品中乙醇含量則隨著沸騰時間的增加呈相反趨勢。沸騰13min內xethanol基本維持在0.4073，隨沸騰時間延長氣相樣品中xethanol迅速下降，至19min后xethanol穩定在0.124不變。

保持其它樣品取樣時間一致，根據圖1（A）選取沸騰1min、5min、13min及15min時氣相樣品點繪制相圖，結果如圖3（B）所示。由圖可見，所有沸騰時間均可保持相圖的完整性，但氣相的偏差度不同。樣品初沸騰時（1～5min）氣相線變化不大，處于基本重合狀態，此時相圖的飽滿度略差。隨沸騰時間增加至13min，相圖的飽滿度增加，并與連續法繪制的標準圖1趨于相同。沸騰15min時樣品點的相圖中的氣相線偏差已經較大。由此可見，8.5%乙醇樣品最佳的取樣時間為沸騰5～13min。

圖4（A）為14%乙醇樣品的沸點及氣相組成隨沸騰時間變化曲線。從沸點隨沸騰時間變化曲線中可見，樣品初沸騰時沸點為66.7℃，隨著時間的增長沸點不斷上升，19min后樣品沸點保持在80℃不變。與沸點變化趨勢不同，14%乙醇樣品的氣相組成隨時間變化不大，xethanol基本維持在0.3973左右。

圖4（B）為保持其它樣品點一致時14%乙醇樣品選取沸騰5min、9min及11min氣相點繪制的相圖。由圖可見，樣品沸騰5～9min時相圖可以保持雙液系相圖的完整性，并隨時間的增加相圖飽滿度增加。但11min時相圖中的氣相線已經發生較大的偏差，以致相圖的完整性較差。因此，14%乙醇樣品沸騰時間以5～9min為宜。

3.3 32%及48%乙醇樣品的沸點及折光率的測定

圖5為32%及48%乙醇兩個樣品的沸點及氣相組成隨沸騰時間變化曲線。比較兩圖可以看出，兩個組成的樣品沸點與氣相組成隨時間增加均呈現不變狀態，且兩個樣品的沸點與氣相組成幾乎相同。沸點均穩定在65℃左右，氣相組成則均保持在0.4172。這與兩個組成的樣品已接近恒沸組成有關。因此32%及48%乙醇兩個配比的樣品初沸即可取樣。

3.4 60%乙醇及90%乙醇樣品的沸點及折光率的測定

圖6（A）為60%乙醇樣品的沸點及氣相組成隨沸騰時間變化曲線。由圖可見，樣品的沸點及氣相組成隨著樣品沸騰時間的延長均呈上升趨勢。樣品沸騰23min內沸點由65℃緩慢浮動至66.7℃，而后沸點增高至70℃以上。相應樣品的氣相組成在23min內變化也較為緩慢，xethanol僅由0.4515增加至0.5240，而后則迅速增至0.62以上。

保持其它樣品點相同，圖6（B）給出了60%乙醇樣品沸騰5min、13min、21min及23min時氣相樣點所繪制的相圖。從圖中可以看出，沸騰21min內所取氣相樣品點所做相圖可以保持雙液系相圖的完整性，并且氣相線基本重合，表明該時間內取樣對相圖的影響不大。但23min時樣品點所繪制相圖中的氣相線已經產生明顯偏差，表明60%乙醇樣品的氣相樣品取樣時間不能超過23min，應以5～21min為最佳。

90%乙醇樣品的沸點及氣相組成隨沸騰時間變化曲線如圖7（A）所示。由圖可見，隨著沸騰時間的增加樣品的沸點及氣相組成均不斷增加。在所測定的41min內，沸點由72.8℃升高至77.4℃，氣相組成xethanol則由0.665增加至0.920。選取其中的5min、13min、21min及23min樣品點繪制90%乙醇樣品的氣液平衡相圖，結果如圖7（B）所示。從圖中可以看出，所測定的樣品點均能繪制出完整的相圖，但隨沸騰時間增加氣相線產生了偏移，沸騰23min時樣品點所繪相圖與標準相圖已有較大的偏差。可見，90%乙醇樣品的氣相樣品取樣時間以5～21min為宜。

4 結束語

研究了具有不同配比的環己烷-乙醇體系沸騰時間對氣液平衡相圖繪制的影響。結果表明，樣品的配比不同導致沸點及氣相組成隨沸騰時間變化趨勢不同，因此最優的取樣時間不同。乙醇含量低于恒沸組成的樣品最優取樣時間段較短，8.5%乙醇樣品為沸騰5～9min，而14%乙醇為5～13min。乙醇含量接近恒沸組成的32%及48%乙醇樣品初沸即可取樣。乙醇含量增加則最優取樣時間段延長，60%及90%乙醇樣品最佳氣相取樣時間均為5～21min。

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