[摘 要]通過對三組分體系液—液平衡相圖測繪實驗進行長期大量的探索研究，發(fā)現(xiàn)有機試劑正己醇可與乙醇、水組成理想的三組分液—液平衡體系，該實驗體系所得數(shù)據(jù)繪圖效果良好。同時，正己醇具有毒性低、氣味刺激性小、微溶于水的特點，它的應(yīng)用降低了實驗試劑對師生的健康危害，實驗室的環(huán)境污染得到有效控制。在實驗過程中選用質(zhì)量量取法，步驟簡單，操作方便，數(shù)據(jù)處理簡潔。該實驗可作為成熟的教學(xué)或?qū)W生興趣實驗推廣應(yīng)用。 

　　[關(guān)鍵詞]三組分；平衡相圖；物理化學(xué)；正己醇 

　　在以往的大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，三組分液—液平衡相圖測繪實驗曾采用過多種平衡體系，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]平衡體系等。這些實驗體系在教學(xué)過程中或多或少存在著某些方面的問題，例如苯與甲苯試劑毒性大、易揮發(fā)、有致癌性，不利于實驗師生身心健康；乙酸正丁酯在體積量取法中對聚四氟酸滴管旋塞溶解損毀嚴(yán)重，實驗成本較高；三氯甲烷有麻醉作用，光照下易被空氣中的氧氣氧化成劇毒光氣；等等，亟待實驗室工作人員做出進一步改進。 

　　為降低實驗成本，減少環(huán)境污染，向在校本科生貫徹落實綠色化學(xué)理念，本實驗室通過大量探索研究，確定出一種新的可實施的三組分體系——正己醇—乙醇—水實驗體系。該體系所選試劑正己醇在GB 2760-86[7]、GB 2760–2007[8]中被規(guī)定為允許使用的食用香料，廣泛應(yīng)用于食品、酒類[9， 10]、食物保鮮儲運[11-13]等工業(yè)，同時它還天然存在于各類藥材[14， 15]與水果[16， 17]蔬菜[18]中。正己醇具有毒性低、刺激性氣味小的特點，可有效替代其他毒性有機試劑，它不但會減少對實驗人員的健康危害，還降低了實驗室的環(huán)境污染，符合教學(xué)實驗的綠色化要求。同時，在實驗過程中可適時引導(dǎo)學(xué)生了解預(yù)防污染的科學(xué)手段和工業(yè)零排放的研究目標(biāo)，將綠色化學(xué)觀念深植于心，使他們能有意識地在以后的化學(xué)工作中減少或者控制危險化學(xué)品的使用，將環(huán)境污染消除在產(chǎn)生的源頭。 

　　為了避免實驗過程中有機試劑溶解聚四氟酸滴管旋塞的風(fēng)險，經(jīng)探索將原實驗操作方法（體積量取法）調(diào)整為質(zhì)量量取法，即采用吸量管與電子天平相配合的實驗方法量取試劑，大大降低了該實驗的運行成本，并保證了實驗數(shù)據(jù)的精確度，實驗步驟簡單且易于操作。 

　　一、實驗原理 

　　在正己醇—乙醇—水實驗體系中，正己醇與水為部分互溶（20℃時，正己醇在水中的溶解度為0.59g/100mL），而乙醇與正己醇，乙醇與水均為完全互溶。正己醇—乙醇—水組成部分互溶的三組分體系，并可在等邊三角形坐標(biāo)圖上表示體系組成。譬如，三角形坐標(biāo)圖上的三個頂點分別代表純正己醇、乙醇與水（如圖1），則正己醇—水線上各點代表正己醇和水的混合體系，正己醇—乙醇線上各點代表正己醇和乙醇的混合體系，以此類推。三角形坐標(biāo)按照逆時針方向，每一條邊上的坐標(biāo)均表示一個組分的含量。對于坐標(biāo)內(nèi)任何一點，均可通過該點畫各邊的平行線，找出相應(yīng)各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)三角形坐標(biāo)體系中的杠桿規(guī)則，可以繪制出體系的系線。由溶解度可知，對于正己醇—水二組分體系來說，這兩個組分在一定溫度下會達到溶解平衡，而它們之間的互溶度非常小，因此它們的組成接近純正己醇與純水。在此二組分體系中逐漸加入乙醇，正己醇相與水相的組成隨之發(fā)生改變。乙醇同時溶于正己醇相與水相，同時乙醇的存在也促進了正己醇與水之間的互溶。故此體系會形成兩個三組分液相間的平衡，并且這兩個液相組成是不相同的，那么在三角坐標(biāo)上，這兩個液相平衡點的連線被稱為系線（如圖1中IG線），這兩個溶液被稱為共軛體系（即圖1中的I點與G點）。正己醇—乙醇—水體系中所有的共軛溶液相組成點的連線被稱為溶解度曲線。曲線內(nèi)部為兩相共存區(qū)。在溶液外觀表現(xiàn)上，正己醇與乙醇完全互溶（如圖1中E點），它們的混合液外觀清澈，當(dāng)?shù)渭铀畷r，少量水可溶于正己醇與乙醇混合液，當(dāng)加水量達到溶解度曲線時（E點與純水相連線，與溶解度曲線的相交點，圖1中未示出），體系恰好變?yōu)閮上�，溶液外觀由清澈變渾濁。對于三組分平衡體系H，將正己醇—乙醇溶液E滴加入H的共軛水相（如圖1中G點）時，組成的新體系總濃度由G向E點移動，進入兩相區(qū)（如圖1中GF線）新體系會變渾濁，到達F點又會由渾濁變?yōu)槌吻�。�?jù)此原理可進行正己醇—乙醇—水體系溶解度曲線和系線的數(shù)據(jù)測量與圖形繪制。 

　　二、實驗步驟 

　�。ㄒ唬�實驗儀器 

　　上皿電子天平（200g量程，精度0.01g，上海精密科學(xué)儀器有限公司）、若干干燥潔凈的50mL具塞錐形瓶、毛細(xì)滴管、50mL梨形分液漏斗、5mL吸量管、10mL吸量管、鐵架臺、小號鐵圈、洗耳球。 

　�。ǘ�）實驗試劑 

　　正己醇（AR）、無水乙醇（AR）、去離子水。 

　�。ㄈ�）實驗方法 

　　經(jīng)過實驗反復(fù)比較探索，正己醇—乙醇—水體系溶解度曲線中各點所需試劑的體積數(shù)據(jù)如表1所示。由于共軛溶液體系H的靜置分層所需時間較久，建議先將共軛溶液提前準(zhǔn)備好，在其靜置的過程中配制其他組溶液。 

　�。�1）共軛溶液體系H的配制：取干燥潔凈的50mL梨形分液漏斗稱重，用5mL吸量管量取2.70mL正己醇放入分液漏斗中，加塞稱重；再準(zhǔn)確量取4.00mL去離子水加入分液漏斗中加塞稱重；最后以5mL吸量管量取1.80mL乙醇加入分液漏斗，同樣加塞稱重，數(shù)據(jù)記入表2。充分震蕩50mL梨形分液漏斗，大約4分鐘后體系達到相平衡，將其端正放于鐵架臺鐵圈上靜置，分層備用。 

　�。�2）取幾個備用的干燥潔凈50mL具塞錐形瓶，按照表1中給定的數(shù)據(jù)量取試劑，配置不同濃度的乙醇—水溶液與乙醇—正己醇溶液。操作步驟是，先稱空瓶重量，用吸量管加入第一與第二個組分后各自加塞稱重，震蕩。再逐滴加入第三個組分并加塞震蕩至有油滴出現(xiàn)或錐形瓶內(nèi)溶液恰好由清變濁，稱重，將數(shù)據(jù)記錄在表3中。滴加時注意動作須迅速，以避免試劑揮發(fā)引入誤差，并充分震蕩。 　�。�3）正己醇—乙醇溶液E的配制：另取1個50mL具塞錐形瓶，稱空瓶質(zhì)量并記錄，以10mL吸量管準(zhǔn)確量取8.50mL正己醇加入此瓶中，稱重；然后在該瓶中再準(zhǔn)確加入5.00mL乙醇，加塞稱重。充分震蕩備用。此體系即為系統(tǒng)E，各質(zhì)量數(shù)據(jù)記入表4。 

　�。�4）再另取一潔凈干燥的具塞小錐形瓶稱重，將步驟（1）盛裝共軛溶液體系H的分液漏斗中下層水相放入具塞錐形瓶中少許，確保放入的下層水相質(zhì)量為1g左右，加塞稱重，此即為系統(tǒng)G。用滴管向系統(tǒng)G中逐滴加入系統(tǒng)E，并邊滴加邊劇烈震蕩，錐形瓶中溶液會先變混濁然后再變澄清，當(dāng)瓶中溶液突然由濁變清時，立即停止加入系統(tǒng)E，加塞再次稱重，并將實驗數(shù)據(jù)記入表5。 

　�。�5）讀取室溫和大氣壓力并記錄。 

　　三、結(jié)果與討論 

　�。ㄒ唬�數(shù)據(jù)處理 

　　在室溫t=30.1℃及大氣壓力P=101.62kPa條件下，進行三組分液—液平衡相圖測繪實驗操作。表格中為方便記錄，將體系中用到的試劑無水乙醇記為醇1，正己醇記為醇2，實驗過程中的各數(shù)據(jù)記錄及最終數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2[∽]表5。 

　　在實驗操作過程中采用了質(zhì)量量取法，它的優(yōu)點是數(shù)據(jù)運算中省略了各物質(zhì)根據(jù)溫度查找密度的步驟，精簡了實驗數(shù)據(jù)處理過程；同時這種操作方法降低了儀器損耗率，實驗精度可達到教學(xué)要求。 

　　（二）相圖的繪制 

　�。�1）溶解度曲線繪制：首先計算出三組分體系中各溶液質(zhì)量，進而求出各溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。將表3中所得實驗結(jié)果以O(shè)rigin軟件繪于三角坐標(biāo)系中，如圖2。最終可將各點連接擬合出一平滑曲線，此即為該體系液—液平衡的溶解度曲線，見圖2中IFG曲線。 

　�。�2）系線繪制：按表2、表4中實驗數(shù)據(jù)計算出的共軛平衡體系總組成H、兩組分溶液E分別標(biāo)入上述三角坐標(biāo)圖上。過E點作溶解度曲線的割線EG，割溶解度曲線于F、G兩點，并使得FG/EF= mE /mG。在求得G點后，將G點與H點連接成一條直線并延長，直至相交于溶解度曲線，相交點為點I。該體系所需求取的系線即為IG線，見圖2中所示IHG線。 

　　由圖可以看出，正己醇—乙醇—水體系的溶解度曲線在三角坐標(biāo)系中高度適中，割線EG與系線IG分明，繪圖效果比較理想。 

　　四、結(jié)論 

　�。�1）本實驗選用正己醇—乙醇—水體系進行三組分液—液平衡相圖測繪實驗，該體系中應(yīng)用的正己醇毒性低，刺激性氣味小，減少了實驗污染，降低了對實驗師生的健康危害，是一種環(huán)境友好型試劑。 

　�。�2）在教學(xué)過程中適時向?qū)W生灌輸綠色化學(xué)實驗理念，減少或者控制了危險化學(xué)試劑的使用，將環(huán)境污染消除在產(chǎn)生的源頭；引導(dǎo)學(xué)生初步了解預(yù)防污染和零排放的科學(xué)手段與終極研究目標(biāo)。 

　�。�3）實驗數(shù)據(jù)運算過程中省略了各物質(zhì)根據(jù)溫度查找密度的步驟，精簡了實驗處理過程，實驗精度符合教學(xué)要求，降低了實驗運行成本。 

　�。�4）經(jīng)驗證，正己醇—乙醇—水三組分平衡體系相圖繪制效果良好、實驗步驟簡單易操作，可在大學(xué)實驗教學(xué)中或作為學(xué)生興趣實驗推廣應(yīng)用。 

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