傳統三組分體系液—液平衡相圖的測繪實驗體系的改進

李曉霞 張予輝 王一蕾 馬淑杰

中國石油大學(華東)化學化工學院化學實驗中心 山東青島 266580

三組分液—液平衡相圖的測繪實驗是很典型的物理化學實驗，國內各高校在進行該實驗時選取的實驗材料大多數是苯—乙醇—水[1-2]、苯—乙酸—水[3]或者甲苯—水—乙醇[4]、乙酸正丁酯—乙醇—水[5]等實驗體系，這幾個體系雖然很成熟，易操作，做出的相圖也比較完美，但是，在實驗過程中要大量用到苯或者甲苯，苯和甲苯的毒性都很大，揮發性也很強，有致癌性，實驗過程中會對師生和周圍的環境造成很大的危害；乙酸正丁酯容易損壞滴管等實驗器材。為了從根本上解決這個問題，選取了環己烷—乙醇—水這個三組分液—液體系，相對于苯和甲苯，環己烷毒性小很多，只是對黏膜有刺激，不具有致癌性，對實驗人員的危害會少很多。本實驗體系已在本校本科生化學實驗中應用，取得了較好的效果。

1 實驗原理

等邊三角形坐標圖是一種化學實驗數據處理使用的方法，而對于三組分體系用該種作圖方法是非常適合的[6]。如圖1所示等邊三角形，設點A、B和C代表三種純組分，若將A、B點連接成線，對于(A+B)二組分體系，該線上各點即可表示。按照同樣的原理，將A、C連接成線，可表示(A+C)的二組分體系；將B、C連接成線，表示(B+C)的二組分體系。而A、B、C組成的三組分體系，在該等邊三角形內的各點可用來表示。將等邊三角形每條邊按逆時針的原則，標度為0到1，等邊三角形的每條邊可以表示相應的組分含量坐標(如圖1所示)。在等邊三角形內，通過一點O分別做與三條邊平行的線段，可得：

a+b+c=AB=BC=CA=1.0

(1)

a′+b′+c′=AB=BC=CA=1.0

(2)

因此，O點所代表三組分體系的組成可由a′、b′、c′線段的長度來表示，即ωA=a′，ωB=b′，ωC=c′。因此要確定O點所代表體系中B組分的百分質量分數，可利用過O點作平行線的方法得到D點(如圖1)，CD長度即為ωB，ωA、ωC也可利用該方法得到。對于三組分體系，如果兩個組分的含量是已知的，則在圖中找到兩個組分的相應含量坐標值在對應的兩條邊上的點，分別通過兩個點做頂點對應的平行線，交點就是具有該質量分數體系點。

圖1 等邊三角形坐標

典型三組分體系環己烷—乙醇—水，乙醇與環己烷、水都能完全互溶，但水和環己烷是不能互溶的。但是可以利用上述三角形坐標圖方法表示該部分互溶的三組分體系。

當一定量的環己烷和水組成的一個體系，其組成為K，此體系分為兩個液層，一層為純環己烷，一層為純水。如果將乙醇加入，體系的總組成(如圖2)，由BK線移動到點N。由于乙醇是溶于水層與環己烷層的，而且還會使得水和環己烷的互溶得以加強，這樣兩個三組分的液層就得到了。平衡共存的液相組成的系線，由連接a、b兩點而得到，為共軛溶液。溶解度曲線(如圖2中曲線)，是將所有液—液平衡體系中共軛液相組成點連接成線得到的。兩相共存區在曲線以下，其他為一相區。經過以上的操作，即可得到一對部分互溶的三組分體系液—液平衡相圖。

圖2 一對部分互溶液—液相圖

由于乙醇能夠與環己烷完全互溶，得到了清澈的二者的混合溶液。已知環己烷—乙醇溶液組成為Q(圖2)，將水滴入后，體系的組成會由QC移動到C。

清澈變為渾濁的現象發生在體系變為兩相時，此時達到了溶解度曲線，該時刻溶解度曲線的點表示三組分體系組成。如果將水加入濃度各異的環己烷—乙醇溶液中，就得到了清澈變為渾濁時各體系組成，可由三角圖中坐標的對應點得到溶解度曲線。

假設某三組分兩相平衡體系H(圖3所示)，其共軛水層的組成G未知但配制濃度明確。在組成已知的前提下，將環己烷—乙醇溶液E滴入從H體系中分出且質量已知的共軛水層，得到的新體系總濃度會移向點E，進而渾濁，進入兩相區，但到F點體系會變為清澈。共軛水層和環己烷—乙醇溶液的質量關系，如式(3)所示。

(3)

其中Wc為原共軛水層G的質量，WE為體系變清澈加入的環己烷—乙醇溶液質量(濃度為E)。

圖3 系線的繪制

WG和WE，可以用天平稱出，圖3中的割線EFG從E點而來，EF與FG比值與式(3)對應，點G即能找到，就得到了共軛水層組成。連接G、H兩點，該連線延長線與溶解度曲線相交至I點(見圖3)，就得到了共軛苯層的組成。溫度的變化會影響溶解度，本實驗應標出測量所得實驗條件為室溫25℃。

2 實驗過程

基于上述原理，在實驗中采用的儀器、化學藥品如下：1ml吸量管1支，10ml酸式滴定管1支，5ml吸量管1支，50ml帶蓋錐形瓶3個，50ml梨形分液漏斗1個，電子天平1臺，無水乙醇(AR)，環己烷(AR)，去離子水。實驗步驟如下：

2.1 溶解度測定

(1)移液管移取2ml環己烷、1.5ml乙醇加入到干燥的錐形瓶中，混勻。用滴定管逐滴加入水，至溶液洽由清變濁時，記下所加水的體積。

(2)將1ml乙醇滴入溶液，逐步滴入水，直到溶液變清澈，記錄此時水的使用體積。

(3)按照預先設定的體積數繼續加入一定量的乙醇，用水滴至溶液剛由清變濁，依次記下所用水的體積。

2.2 系線的測定

(1)配置體積分數為50%環己烷—乙醇混合物：6ml環己烷、65ml乙醇置于干燥的錐形瓶中混勻。

(2)將3ml環己烷、3ml水及3ml乙醇依次加入干燥的分液漏斗中，先進行搖動，然后靜置以便于分層，用已知重量的干燥錐形瓶接收放出的水層(約1ml)，并利用天平測得質量。

(3)向步驟(2)的錐形瓶中滴加預先配置好的體積分數為50%乙醇—環己烷混合物，按照上述類似的方法，通過搖動后得到清澈溶液，然后測量質量大小。

(4)將以上得到的實驗數據處理后在坐標紙上繪制相圖。

3 數據記錄與處理

實驗過程相關數據記錄如表1所示，溶解度曲線測繪實驗結果記錄，其中實驗條件為室溫20℃，大氣壓102.18kPa。查表知：ρ水=0.998g/cm-3，ρ乙醇=0.789g/cm-3，ρ環己烷=0.791g/cm-3，由m=ρV得m水、m乙醇、m環己烷，再求其相應的質量百分含量。表2為系線測繪結果記錄表，其中WE∶WG=23.60。

表1 溶解度曲線測繪記錄表

表2 系線測繪記錄表

利用以上實驗測量結果，可以進行相圖的繪制。具體過程如下：

(1)當滴定各溶液完成時，由體積和實驗溫度下的密度可以換算得到質量，進而得到各溶液的質量分數。本實驗采用坐標紙手工繪圖，將結果在三角坐標紙上繪出，連接各點得到溶解度曲線如圖4所示。

圖4 環己烷—水—乙醇三組分系統液—液平衡相圖

(2)在三角形坐標上找到點E，該點對應環己烷—乙醇溶液組成(體積分數50%)，然后按照前述方法做割線EG。割曲線于F、G點，使FG/EF=WE∶WG。求得G點后，與共軛平衡體系總組成點H連接直線，并延長至與溶解度曲線交于I點，IG線即為所求連接線如圖4所示。

結語

本實驗采用了環保的環己烷—乙醇—水體系，其中環己烷的特點是低毒性，少量刺激性氣味小，對實驗操作人員非常友好。該實驗不僅有利于實驗污染的減少，更有利于保障實驗過程中操作者和環境等方面的健康，同時在教學過程中適時向學生灌輸綠色化學實驗理念。通過實際實驗效果，利用上述三組分體系進行的相圖測繪，操作的可行性高，得到了較為理想的實驗效果，可以作為典型案例進行推廣。