正戊醇－乙酸－水三元液－液相图实验新方法研究

2013-12-23吴梅芬许新华王晓岗

实验技术与管理 2013年5期

吴梅芬，许新华，王晓岗

（同济大学化学系，上海 200092）

三元相图常用于液－液萃取操作中各区萃取条件的确定，因此在大学物理化学实验课程中，绘制三组分体系液－液平衡相图是非常重要的教学内容之一。学生通过该实验掌握三角坐标的绘制技术，熟悉相图中各点及连接线的物理化学含义，进而了解三元相图在萃取、溶液改性等研究领域方面的应用。

目前国内实验教材中三元相图的研究体系主要有苯－醇－水［1－3］、苯（氯仿）－醋酸－水［4－6］、环己烷－乙醇－水、乙酸乙酯－乙醇－水等［7－9］，从实验内容及实验方法来看，该类体系在教学中尚存在一定弊端，表现在:（1）体系含有较多的环境污染物如苯、甲苯等，该类物质毒性大、挥发性强、对人体有害，不符合现今倡导的“绿色化学”教学理念；（2）实验中主要采取两种方法作图，一是尝试法作图，即按照上层及下层之间的质量比在溶解度曲线上手工画出连接线，这一方法要求学生进行不断的尝试，以确定各组成在溶解度曲线上的位置，结果往往与操作者的作图技巧有关，学生在数据处理中对实验数据的取舍随意性大，科学严密性不够；二是利用气相色谱仪定量分析各相的组分及含量［10］，然后绘制相图，虽然所得结果准确，但是整个分析过程比较麻烦，加之一般院校配备的气相色谱仪数量有限，因此，该方法较少用于大规模的本科学生实验教学。

针对以上种种问题，我们开发了一个新的三元相图教学体系，3个组分分别为正戊醇、乙酸和水，其中的正戊醇和乙酸毒性低、污染小。实验中溶解度曲线采用浊点滴定法测定［11］，不同相中的乙酸含量用NaOH 标定，方法简便、实用，该体系用于我校化学、材料、环境等专业大规模实验教学，取得了良好的教学效果。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

电子天平、恒温水槽、自动振荡器、有塞锥形瓶（25 mL）4个、锥形瓶（250mL）4个、酸式、碱式滴定管（50 mL）各1支、酸式滴定管（50mL，具特氟隆活塞）2支、移液管（1mL、2mL）各2支、分液漏斗（150mL）2个、正戊醇（A.R.）、冰醋酸（A.R.）、草酸（A.R.，基准物质）、标准NaOH 溶液（0.5mol·dm－3）、酚酞指示剂

1.2 实验步骤

1.2.1 溶解度曲线测定

分别在2支干燥、洁净的具特氟隆活塞的酸式滴定管中装入正戊醇和冰醋酸，在普通酸式滴定管中装入水，在碱式滴定管中装入NaOH 溶液。用草酸基准物质（H2C2O4·2H2O）标定NaOH 溶液的浓度。

取干净的250mL 有塞锥形瓶1 个，向瓶中滴入20mL正戊醇和4mL 冰醋酸，然后慢慢滴入水，同时不断振荡，滴至终点（由清变浊），记下水的体积。

再向此瓶中加入5 mL 醋酸，系统又变为澄清的均相，继续用水滴定至终点。然后以同样方法加入8 mL醋酸，用水滴定，再加入8mL 醋酸，用水滴定，记录各次测定的各组分用量。最后，向所得的溶液中加入10mL 正戊醇，加塞后放置在振荡器中摇动半小时，用此溶液测定连接线［12］。

另外取干净的250 mL 有塞锥形瓶1 个，向瓶中滴入2mL正戊醇和2mL 冰醋酸，然后慢慢滴入水，同时不断振荡，滴至终点（由清变浊），记下水的体积。此后依次加入1 mL、1mL、1 mL、1 mL、2 mL 醋酸，分别用水滴定至终点，记录实验数据。最后，向所得的溶液中加入5 mL 正戊醇，加塞后放置在振荡器中摇动半小时，用此溶液测定另一根连接线。

1.2.2 连接线分析测定

将4个25mL 有塞锥形瓶预先称重。上面所得的2个测定连接线的溶液静置后分层，用干净的移液管分别吸取上层溶液2mL、下层溶液1mL，放入4个25mL有塞锥形瓶中，再称其重量。然后将这4个锥形瓶中的溶液分别用水洗入4个250mL 锥形瓶中，用已标定的0.5mol·dm－3NaOH 溶液滴定醋酸的含量，用酚酞作指示剂。

1.3 数据记录与处理

（1）NaOH 溶液的标定。其浓度测定值见表1。

表1 NaOH 浓度测定值

（2）各物质的密度及溶解度的测定。根据正戊醇、乙酸和水所用实际体积，根据实验温度下各物质的密度，计算各实验点上每个组分的质量百分数，见表2、表3。

表2 实验温度下各物质的密度

表3 正戊醇－乙酸－水溶解度测定值

表3（续）

另外，从手册中查出正戊醇和水在实验温度时的相互溶解度，正戊醇在水中溶解百分数为2.1%；水在正戊醇溶解百分数为97.9%。

（3）连接线数据。将P1、P2溶液静置分层后各得到上层和下层溶液A1、B1及A2、B2，对其中的乙酸采用NaOH 标液进行滴定，计算含量。在三元相图溶解度曲线上找到A1、B1、A2、B2乙酸浓度所对应的系统点，作连接线A1P1B1、A2P2B2。所得结果见表4。

表4 连接线测定数据%

1.4 相图及连接线绘制

（1）将各溶液滴定终点时各组分的体积，根据实验温度下的密度换算为质量百分数，在三角坐标系中将各点连成光滑曲线，即为溶解度曲线，如图1所示。

图1 正戊醇－乙酸－水平衡相图

（2）在溶解度曲线上找到A1、B1、A2、B2乙酸浓度所对应的系统点，作连接线A1P1B1、A2P2B2。

2 结果讨论

（1）从实测结果来看，正戊醇－乙酸－水三组分体系相图和苯－乙醇－水、环己烷－乙醇－水相图相仿，属于较为典型的三组分体系相图，但实验采用的正戊醇属于低毒类试剂［LD50:2 200mg／kg（大鼠经口）；3 600mg／kg（兔经皮）］，整个体系基本无污染。与此同时，实验通过浊点滴定法标定溶解度曲线，采用NaOH 滴定法测定P1、P2溶液中乙酸的含量，方法简单、直观，不需要色谱等复杂的仪器分析手段，但对学生基本操作有较高要求，因此，本实验适合于大面积学生实验，对培养学生基本功有良好价值。

（2）除正戊醇－乙酸－水体系外，我们还尝试了其他乙酸类体系，如环己烷－乙酸－水、乙醇－乙酸－水体系，实验发现，环己烷在乙酸－水体系中的溶解度较小，用浊度法测定溶解度曲线时第3组分的用量很低，所得相图形状不太理想。由于乙醇可与乙酸发生酯化反应，组成难以准确测定。

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［1］云南师范大学化学化工学院物理化学教研室.物理化学实验［M］.昆明:云南民族出版社，2003.

［2］苏永庆，胡红艳，段爱红.苯－乙醇－水混合液的分离提纯［J］.云南师范大学学报，2010，30（2）:59－62.

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