正戊醇－乙酸－水三元液－液相圖實(shí)驗(yàn)新方法研究

吳梅芬，許新華，王曉崗

（同濟(jì)大學(xué)化學(xué)系，上海 200092）

三元相圖常用于液－液萃取操作中各區(qū)萃取條件的確定，因此在大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，繪制三組分體系液－液平衡相圖是非常重要的教學(xué)內(nèi)容之一。學(xué)生通過該實(shí)驗(yàn)掌握三角坐標(biāo)的繪制技術(shù)，熟悉相圖中各點(diǎn)及連接線的物理化學(xué)含義，進(jìn)而了解三元相圖在萃取、溶液改性等研究領(lǐng)域方面的應(yīng)用。

目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)教材中三元相圖的研究體系主要有苯－醇－水［1－3］、苯（氯仿）－醋酸－水［4－6］、環(huán)己烷－乙醇－水、乙酸乙酯－乙醇－水等［7－9］，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法來看，該類體系在教學(xué)中尚存在一定弊端，表現(xiàn)在:（1）體系含有較多的環(huán)境污染物如苯、甲苯等，該類物質(zhì)毒性大、揮發(fā)性強(qiáng)、對人體有害，不符合現(xiàn)今倡導(dǎo)的“綠色化學(xué)”教學(xué)理念；（2）實(shí)驗(yàn)中主要采取兩種方法作圖，一是嘗試法作圖，即按照上層及下層之間的質(zhì)量比在溶解度曲線上手工畫出連接線，這一方法要求學(xué)生進(jìn)行不斷的嘗試，以確定各組成在溶解度曲線上的位置，結(jié)果往往與操作者的作圖技巧有關(guān)，學(xué)生在數(shù)據(jù)處理中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取舍隨意性大，科學(xué)嚴(yán)密性不夠；二是利用氣相色譜儀定量分析各相的組分及含量［10］，然后繪制相圖，雖然所得結(jié)果準(zhǔn)確，但是整個(gè)分析過程比較麻煩，加之一般院校配備的氣相色譜儀數(shù)量有限，因此，該方法較少用于大規(guī)模的本科學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

針對以上種種問題，我們開發(fā)了一個(gè)新的三元相圖教學(xué)體系，3個(gè)組分分別為正戊醇、乙酸和水，其中的正戊醇和乙酸毒性低、污染小。實(shí)驗(yàn)中溶解度曲線采用濁點(diǎn)滴定法測定［11］，不同相中的乙酸含量用NaOH 標(biāo)定，方法簡便、實(shí)用，該體系用于我?；瘜W(xué)、材料、環(huán)境等專業(yè)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

電子天平、恒溫水槽、自動(dòng)振蕩器、有塞錐形瓶（25 mL）4個(gè)、錐形瓶（250mL）4個(gè)、酸式、堿式滴定管（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個(gè)、正戊醇（A.R.）、冰醋酸（A.R.）、草酸（A.R.，基準(zhǔn)物質(zhì)）、標(biāo)準(zhǔn)NaOH 溶液（0.5mol·dm－3）、酚酞指示劑

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 溶解度曲線測定

分別在2支干燥、潔凈的具特氟隆活塞的酸式滴定管中裝入正戊醇和冰醋酸，在普通酸式滴定管中裝入水，在堿式滴定管中裝入NaOH 溶液。用草酸基準(zhǔn)物質(zhì)（H2C2O4·2H2O）標(biāo)定NaOH 溶液的濃度。

取干凈的250mL 有塞錐形瓶1 個(gè)，向瓶中滴入20mL正戊醇和4mL 冰醋酸，然后慢慢滴入水，同時(shí)不斷振蕩，滴至終點(diǎn)（由清變濁），記下水的體積。

再向此瓶中加入5 mL 醋酸，系統(tǒng)又變?yōu)槌吻宓木啵^續(xù)用水滴定至終點(diǎn)。然后以同樣方法加入8 mL醋酸，用水滴定，再加入8mL 醋酸，用水滴定，記錄各次測定的各組分用量。最后，向所得的溶液中加入10mL 正戊醇，加塞后放置在振蕩器中搖動(dòng)半小時(shí)，用此溶液測定連接線［12］。

另外取干凈的250 mL 有塞錐形瓶1 個(gè)，向瓶中滴入2mL正戊醇和2mL 冰醋酸，然后慢慢滴入水，同時(shí)不斷振蕩，滴至終點(diǎn)（由清變濁），記下水的體積。此后依次加入1 mL、1mL、1 mL、1 mL、2 mL 醋酸，分別用水滴定至終點(diǎn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后，向所得的溶液中加入5 mL 正戊醇，加塞后放置在振蕩器中搖動(dòng)半小時(shí)，用此溶液測定另一根連接線。

1.2.2 連接線分析測定

將4個(gè)25mL 有塞錐形瓶預(yù)先稱重。上面所得的2個(gè)測定連接線的溶液靜置后分層，用干凈的移液管分別吸取上層溶液2mL、下層溶液1mL，放入4個(gè)25mL有塞錐形瓶中，再稱其重量。然后將這4個(gè)錐形瓶中的溶液分別用水洗入4個(gè)250mL 錐形瓶中，用已標(biāo)定的0.5mol·dm－3NaOH 溶液滴定醋酸的含量，用酚酞作指示劑。

1.3 數(shù)據(jù)記錄與處理

（1）NaOH 溶液的標(biāo)定。其濃度測定值見表1。

表1 NaOH 濃度測定值

（2）各物質(zhì)的密度及溶解度的測定。根據(jù)正戊醇、乙酸和水所用實(shí)際體積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度下各物質(zhì)的密度，計(jì)算各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上每個(gè)組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，見表2、表3。

表2 實(shí)驗(yàn)溫度下各物質(zhì)的密度

表3 正戊醇－乙酸－水溶解度測定值

表3（續(xù)）

另外，從手冊中查出正戊醇和水在實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)的相互溶解度，正戊醇在水中溶解百分?jǐn)?shù)為2.1%；水在正戊醇溶解百分?jǐn)?shù)為97.9%。

（3）連接線數(shù)據(jù)。將P1、P2溶液靜置分層后各得到上層和下層溶液A1、B1及A2、B2，對其中的乙酸采用NaOH 標(biāo)液進(jìn)行滴定，計(jì)算含量。在三元相圖溶解度曲線上找到A1、B1、A2、B2乙酸濃度所對應(yīng)的系統(tǒng)點(diǎn)，作連接線A1P1B1、A2P2B2。所得結(jié)果見表4。

表4 連接線測定數(shù)據(jù)%

1.4 相圖及連接線繪制

（1）將各溶液滴定終點(diǎn)時(shí)各組分的體積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度下的密度換算為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，在三角坐標(biāo)系中將各點(diǎn)連成光滑曲線，即為溶解度曲線，如圖1所示。

圖1 正戊醇－乙酸－水平衡相圖

（2）在溶解度曲線上找到A1、B1、A2、B2乙酸濃度所對應(yīng)的系統(tǒng)點(diǎn)，作連接線A1P1B1、A2P2B2。

2 結(jié)果討論

（1）從實(shí)測結(jié)果來看，正戊醇－乙酸－水三組分體系相圖和苯－乙醇－水、環(huán)己烷－乙醇－水相圖相仿，屬于較為典型的三組分體系相圖，但實(shí)驗(yàn)采用的正戊醇屬于低毒類試劑［LD50:2 200mg／kg（大鼠經(jīng)口）；3 600mg／kg（兔經(jīng)皮）］，整個(gè)體系基本無污染。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)通過濁點(diǎn)滴定法標(biāo)定溶解度曲線，采用NaOH 滴定法測定P1、P2溶液中乙酸的含量，方法簡單、直觀，不需要色譜等復(fù)雜的儀器分析手段，但對學(xué)生基本操作有較高要求，因此，本實(shí)驗(yàn)適合于大面積學(xué)生實(shí)驗(yàn)，對培養(yǎng)學(xué)生基本功有良好價(jià)值。

（2）除正戊醇－乙酸－水體系外，我們還嘗試了其他乙酸類體系，如環(huán)己烷－乙酸－水、乙醇－乙酸－水體系，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)己烷在乙酸－水體系中的溶解度較小，用濁度法測定溶解度曲線時(shí)第3組分的用量很低，所得相圖形狀不太理想。由于乙醇可與乙酸發(fā)生酯化反應(yīng)，組成難以準(zhǔn)確測定。

（

）

［1］云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.昆明:云南民族出版社，2003.

［2］蘇永慶，胡紅艷，段愛紅.苯－乙醇－水混合液的分離提純［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（2）:59－62.

［3］劉勇健，孫康.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［4］胡瑋，曹紅燕，李建平.用Origin 繪制氯仿－醋酸－水三元液系相圖［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（3）:46－48.

［5］郭子成，楊建一，羅青枝.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.

［6］孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.天津:南開大學(xué)出版社，1997.

［7］顧正桂，職慧珍，馬正飛，等.復(fù)合萃取精餾分離乙酸乙酯－乙醇－水的研究［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2005，22（6）:466－468.

［8］賈樹勇，任玉榮，徐占林，等.在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)教育的探索與實(shí)踐［J］.大學(xué)化學(xué)，2004，19（3）:19－20.

［9］葛華才，劉仕文，蔣榮英，等.環(huán)己烷－水－乙醇三元液系相圖測定實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（12）:34－36.

［10］徐樺，居紅芳，王霞，等.水－正己烷－乙醇體系的液液平衡研究［J］.化學(xué)研究與應(yīng)用，2006，18（4）:409－412.

［11］徐黔江，許乾麗.復(fù)合萃取劑醋酸乙二醛液液相平衡研究［J］.貴州師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，19（1）:76－77.

［12］Robert H B.Liquidliquid equilibrium data for the system carbon tetrachloride－acetone－water［J］.Ind Eng Chem，1952（44）:2449－2452.