一种可推广的三组分液—液平衡相图测绘实验体系

作者:未知

  [摘 要]通过对三组分体系液—液平衡相图测绘实验进行长期大量的探索研究,发现有机试剂正己醇可与乙醇、水组成理想的三组分液—液平衡体系,该实验体系所得数据绘图效果良好。同时,正己醇具有毒性低、气味刺激性小、微溶于水的特点,它的应用降低了实验试剂对师生的健康危害,实验室的环境污染得到有效控制。在实验过程中选用质量量取法,步骤简单,操作方便,数据处理简洁。该实验可作为成熟的教学或学生兴趣实验推广应用。
  [关键词]三组分;平衡相图;物理化学;正己醇
  [中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2019)01-0090-03
  在以往的大学化学实验教学中,三组分液—液平衡相图测绘实验曾采用过多种平衡体系,例如苯—乙醇—水[1, 2]、甲苯—乙醇—水[3]、苯—乙酸—水[4]、乙酸正丁酯—乙醇—水[5]以及三氯甲烷—乙酸—水[6]平衡体系等。这些实验体系在教学过程中或多或少存在着某些方面的问题,例如苯与甲苯试剂毒性大、易挥发、有致癌性,不利于实验师生身心健康;乙酸正丁酯在体积量取法中对聚四氟酸滴管旋塞溶解损毁严重,实验成本较高;三氯甲烷有麻醉作用,光照下易被空气中的氧气氧化成剧毒光气;等等,亟待实验室工作人员做出进一步改进。
  为降低实验成本,减少环境污染,向在校本科生贯彻落实绿色化学理念,本实验室通过大量探索研究,确定出一种新的可实施的三组分体系——正己醇—乙醇—水实验体系。该体系所选试剂正己醇在GB 2760-86[7]、GB 2760–2007[8]中被规定为允许使用的食用香料,广泛应用于食品、酒类[9, 10]、食物保鲜储运[11-13]等工业,同时它还天然存在于各类药材[14, 15]与水果[16, 17]蔬菜[18]中。正己醇具有毒性低、刺激性气味小的特点,可有效替代其他毒性有机试剂,它不但会减少对实验人员的健康危害,还降低了实验室的环境污染,符合教学实验的绿色化要求。同时,在实验过程中可适时引导学生了解预防污染的科学手段和工业零排放的研究目标,将绿色化学观念深植于心,使他们能有意识地在以后的化学工作中减少或者控制危险化学品的使用,将环境污染消除在产生的源头。
  为了避免实验过程中有机试剂溶解聚四氟酸滴管旋塞的风险,经探索将原实验操作方法(体积量取法)调整为质量量取法,即采用吸量管与电子天平相配合的实验方法量取试剂,大大降低了该实验的运行成本,并保证了实验数据的精确度,实验步骤简单且易于操作。
  一、实验原理
  在正己醇—乙醇—水实验体系中,正己醇与水为部分互溶(20℃时,正己醇在水中的溶解度为0.59g/100mL),而乙醇与正己醇,乙醇与水均为完全互溶。正己醇—乙醇—水组成部分互溶的三组分体系,并可在等边三角形坐标图上表示体系组成。譬如,三角形坐标图上的三个顶点分别代表纯正己醇、乙醇与水(如图1),则正己醇—水线上各点代表正己醇和水的混合体系,正己醇—乙醇线上各点代表正己醇和乙醇的混合体系,以此类推。三角形坐标按照逆时针方向,每一条边上的坐标均表示一个组分的含量。对于坐标内任何一点,均可通过该点画各边的平行线,找出相应各组分的质量分数。根据三角形坐标体系中的杠杆规则,可以绘制出体系的系线。由溶解度可知,对于正己醇—水二组分体系来说,这两个组分在一定温度下会达到溶解平衡,而它们之间的互溶度非常小,因此它们的组成接近纯正己醇与纯水。在此二组分体系中逐渐加入乙醇,正己醇相与水相的组成随之发生改变。乙醇同时溶于正己醇相与水相,同时乙醇的存在也促进了正己醇与水之间的互溶。故此体系会形成两个三组分液相间的平衡,并且这两个液相组成是不相同的,那么在三角坐标上,这两个液相平衡点的连线被称为系线(如图1中IG线),这两个溶液被称为共轭体系(即图1中的I点与G点)。正己醇—乙醇—水体系中所有的共轭溶液相组成点的连线被称为溶解度曲线。曲线内部为两相共存区。在溶液外观表现上,正己醇与乙醇完全互溶(如图1中E点),它们的混合液外观清澈,当滴加水时,少量水可溶于正己醇与乙醇混合液,当加水量达到溶解度曲线时(E点与纯水相连线,与溶解度曲线的相交点,图1中未示出),体系恰好变为两相,溶液外观由清澈变浑浊。对于三组分平衡体系H,将正己醇—乙醇溶液E滴加入H的共轭水相(如图1中G点)时,组成的新体系总浓度由G向E点移动,进入两相区(如图1中GF线)新体系会变浑浊,到达F点又会由浑浊变为澄清。据此原理可进行正己醇—乙醇—水体系溶解度曲线和系线的数据测量与图形绘制。
  二、实验步骤
  (一)实验仪器
  上皿电子天平(200g量程,精度0.01g,上海精密科学仪器有限公司)、若干干燥洁净的50mL具塞锥形瓶、毛细滴管、50mL梨形分液漏斗、5mL吸量管、10mL吸量管、铁架台、小号铁圈、洗耳球。
  (二)实驗试剂
  正己醇(AR)、无水乙醇(AR)、去离子水。
  (三)实验方法
  经过实验反复比较探索,正己醇—乙醇—水体系溶解度曲线中各点所需试剂的体积数据如表1所示。由于共轭溶液体系H的静置分层所需时间较久,建议先将共轭溶液提前准备好,在其静置的过程中配制其他组溶液。
  (1)共轭溶液体系H的配制:取干燥洁净的50mL梨形分液漏斗称重,用5mL吸量管量取2.70mL正己醇放入分液漏斗中,加塞称重;再准确量取4.00mL去离子水加入分液漏斗中加塞称重;最后以5mL吸量管量取1.80mL乙醇加入分液漏斗,同样加塞称重,数据记入表2。充分震荡50mL梨形分液漏斗,大约4分钟后体系达到相平衡,将其端正放于铁架台铁圈上静置,分层备用。
  (2)取几个备用的干燥洁净50mL具塞锥形瓶,按照表1中给定的数据量取试剂,配置不同浓度的乙醇—水溶液与乙醇—正己醇溶液。操作步骤是,先称空瓶重量,用吸量管加入第一与第二个组分后各自加塞称重,震荡。再逐滴加入第三个组分并加塞震荡至有油滴出现或锥形瓶内溶液恰好由清变浊,称重,将数据记录在表3中。滴加时注意动作须迅速,以避免试剂挥发引入误差,并充分震荡。   (3)正己醇—乙醇溶液E的配制:另取1个50mL具塞锥形瓶,称空瓶质量并记录,以10mL吸量管准确量取8.50mL正己醇加入此瓶中,称重;然后在该瓶中再准确加入5.00mL乙醇,加塞称重。充分震荡备用。此体系即为系统E,各质量数据记入表4。
  (4)再另取一洁净干燥的具塞小锥形瓶称重,将步骤(1)盛装共轭溶液体系H的分液漏斗中下层水相放入具塞锥形瓶中少许,确保放入的下层水相质量为1g左右,加塞称重,此即为系统G。用滴管向系统G中逐滴加入系统E,并边滴加边剧烈震荡,锥形瓶中溶液会先变混浊然后再变澄清,当瓶中溶液突然由浊变清时,立即停止加入系统E,加塞再次称重,并将实验数据记入表5。
  (5)读取室温和大气压力并记录。
  三、结果与讨论
  (一)数据处理
  在室温t=30.1℃及大气压力P=101.62kPa条件下,进行三组分液—液平衡相图测绘实验操作。表格中为方便记录,将体系中用到的试剂无水乙醇记为醇1,正己醇记为醇2,实验过程中的各数据记录及最终数据处理结果见表2[∽]表5。
  在实验操作过程中采用了质量量取法,它的优点是数据运算中省略了各物质根据温度查找密度的步骤,精简了实验数据处理过程;同时这种操作方法降低了仪器损耗率,实验精度可达到教学要求。
  (二)相图的绘制
  (1)溶解度曲线绘制:首先计算出三组分体系中各溶液质量,进而求出各溶液质量分数,具体数据见表3。将表3中所得实验结果以Origin软件绘于三角坐标系中,如图2。最终可将各点连接拟合出一平滑曲线,此即为该体系液—液平衡的溶解度曲线,见图2中IFG曲线。
  (2)系线绘制:按表2、表4中实验数据计算出的共轭平衡体系总组成H、两组分溶液E分别标入上述三角坐标图上。过E点作溶解度曲线的割线EG,割溶解度曲线于F、G两点,并使得FG/EF= mE /mG。在求得G点后,将G点与H点连接成一条直线并延长,直至相交于溶解度曲线,相交点为点I。该体系所需求取的系线即为IG线,见图2中所示IHG线。
  由图可以看出,正己醇—乙醇—水体系的溶解度曲线在三角坐标系中高度适中,割线EG与系线IG分明,绘图效果比较理想。
  四、结论
  (1)本实验选用正己醇—乙醇—水体系进行三组分液—液平衡相图测绘实验,该体系中应用的正己醇毒性低,刺激性气味小,减少了实验污染,降低了对实验师生的健康危害,是一种环境友好型试剂。
  (2)在教学过程中适时向学生灌输绿色化学实验理念,减少或者控制了危险化学试剂的使用,将环境污染消除在产生的源头;引导学生初步了解预防污染和零排放的科学手段与终极研究目标。
  (3)实验数据运算过程中省略了各物质根据温度查找密度的步骤,精简了实验处理过程,实验精度符合教学要求,降低了实验运行成本。
  (4)经验证,正己醇—乙醇—水三组分平衡体系相图绘制效果良好、实验步骤简单易操作,可在大学实验教学中或作为学生兴趣实验推广应用。
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