繪制正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖

孟曉燕，胡小燕

(1. 上饒師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江西 上饒 334001；2.安遠(yuǎn)縣塘村學(xué)校，江西 贛州 342113)

繪制正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖

孟曉燕1，胡小燕2

(1. 上饒師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，江西 上饒 334001；2.安遠(yuǎn)縣塘村學(xué)校，江西 贛州 342113)

采用濁點(diǎn)滴定法測(cè)定各組分的溶解度曲線，繪制出了正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖。結(jié)果表明，在室溫為10.0 ℃時(shí)，正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖中，等溫會(huì)溶點(diǎn)D點(diǎn)處，乙醇、正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73.0%、14.1%；雙結(jié)點(diǎn)溶解度曲線BDC內(nèi)，形成了兩個(gè)共軛的三組分溶液；物系點(diǎn)O時(shí)，兩共軛溶液數(shù)量的比值為mG: mH=|OH|:|OG|。

濁點(diǎn)滴定法；溶解度曲線；正己烷-乙醇-水；三組分液系相圖

在油脂工業(yè)中，溶劑浸提是最常用的有效提取油脂的過程。但是對(duì)于含毒油料作物(菜籽、亞麻籽等)，溶劑浸提不能將有毒成分(硫苷、棉酚、氰苷等)從油中分離，這限制了含毒油料作物的廣泛應(yīng)用[1]。Rubin等[2]開發(fā)的雙液相萃取技術(shù)是一步提油脫毒較為理想的生產(chǎn)工藝。雙液相萃取技術(shù)是運(yùn)用極性溶劑和非極性溶劑組成的溶劑系統(tǒng)進(jìn)行萃取，在提取油脂的同時(shí)，可脫去有毒成分。例如，由于亞麻籽中含有毒性物質(zhì)氰苷,使含氰苷亞麻粕的應(yīng)用受到限制，運(yùn)用雙液相萃取從亞麻籽中提油脫氰苷[3]，可擴(kuò)大含氰苷亞麻粕的應(yīng)用范圍。在雙液相系統(tǒng)中[4]，正己烷-乙醇被認(rèn)為是較成熟的混合溶劑之一。但對(duì)正己烷-乙醇-水三元體系的基本性質(zhì)，研究還比較少。

李高陽等人[4]采用氣相色譜分析，根據(jù)峰面積確定平衡條件下三元體系的相應(yīng)質(zhì)量組成，組成相平衡曲線上的一對(duì)平衡點(diǎn)，將各對(duì)平衡點(diǎn)在三元相圖上標(biāo)出，連結(jié)成一條平滑曲線，即構(gòu)成該溫度下的三元體系相圖，該方法需要使用精密儀器，且時(shí)間較長。

本文在室溫、大氣壓下，采用濁點(diǎn)滴定法[5-7]測(cè)定各組分的溶解度曲線，繪制出正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖。該實(shí)驗(yàn)所用的試劑為正己烷、乙醇等，毒性很小，環(huán)境友好；實(shí)驗(yàn)方法簡單，快速，易于操作，為正己烷-乙醇-水的三組分液系在油脂工業(yè)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 基本原理

若壓力、溫度同時(shí)確定，根據(jù)相律，自由度最大為2，三組分系統(tǒng)就可以用平面圖來表示。一般情況下都是用正三角形來表示。

如圖1所示，正三角形中三個(gè)頂點(diǎn)A、B和C分別代表純組分[8]。其三條邊AB，AC和BC線上的點(diǎn)分別代表A和B，A和C以及B和C所形成的二組分系統(tǒng)。三角形中的任意一點(diǎn)代表三組分系統(tǒng)。通過三角形的任意一點(diǎn)O，則有A%=Cc'，B%=Aa'，C%=Bb'。

在一對(duì)部分互溶的三組分系統(tǒng)的相圖中，假設(shè)是由A、B和C這三種物質(zhì)組成的系統(tǒng)。其中A和B，A和C是可以完全互溶的，而B和C只是部分互溶[9]。如圖2所示，B的濃度在Ba之間是完全互溶的，C的濃度在Cd之間也是完全互溶的。在a和d之間的系統(tǒng)中是分為兩層，a點(diǎn)是C在B溶液中的飽和點(diǎn)，而d點(diǎn)是B在C溶液中的飽和點(diǎn)。這對(duì)溶液就被稱為是共軛溶液。abd則為溶解度曲線。曲線內(nèi)外分別為兩相區(qū)和單相區(qū)。其中O為物系點(diǎn)，EF為連接線。

采用濁點(diǎn)滴定法繪制溶解度曲線[9]，按照設(shè)定比例量取兩種互溶的組分(如A和C)形成均相溶液(如圖2中的N點(diǎn))。在所取的溶液中滴加B組分，物系點(diǎn)會(huì)沿線NB方向移動(dòng)，到L點(diǎn)時(shí)溶液由清變濁。再往混合溶液中加入一定量A后，溶液又由濁變清，物系點(diǎn)沿LA上升到N'點(diǎn)。再往其滴加B組分，物系點(diǎn)沿線N'B方向移動(dòng)，到L'點(diǎn)時(shí)溶液再次由清變濁。如此重復(fù)上述步驟。就可獲得L、L' 等這些位于曲線上的點(diǎn)，連接這些點(diǎn)就可以得到溶解度曲線。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要試劑與儀器

正己烷(AR)，乙醇(AR)，水為自制蒸餾水。

電子天平(AL104型，上海梅特勒-托利多儀器有限公司)，酸式滴定管，有塞錐形瓶，帶刻度移液管等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 溶解度曲線的測(cè)定

a. 先在干凈的酸式滴定管內(nèi)裝25 mL的蒸餾水。

分別用移液管移取4 mL正己烷及2 mL乙醇于干燥潔凈的100 mL磨口錐形瓶中，接著慢慢滴加蒸餾水，且不停地振搖，至溶液由清變渾濁時(shí)，即為終點(diǎn)，記下水的體積。再向錐形瓶加入3 mL乙醇，溶液變成澄清，繼續(xù)用水滴至溶液由清變濁，記下水的體積。同法再依次加入4 mL、4 mL、5 mL的乙醇，分別再用水來滴定，記錄各次各組分的用量，數(shù)據(jù)記錄如表1中的編號(hào)1～5。

b. 另取一干燥潔凈的100 mL磨口錐形瓶，用移液管移取1 mL正己烷及5 mL乙醇，用水進(jìn)行滴加至溶液由清變濁。以后依次往里加入4 mL、3 mL、4 mL、5 mL的乙醇，分別用水滴定至終點(diǎn)。記錄各次各組分的用量，數(shù)據(jù)記錄如表1中的編號(hào)6～10。

2.2.2 連接線的測(cè)定

分別用移液管移取10 mL的正己烷、乙醇和水于干燥潔凈的分液漏斗中，配成O溶液,如表1所示。接著充分振蕩讓其達(dá)到相平衡，置于漏斗架中靜置分層，分為水層和有機(jī)層。緩慢放下水層溶液約1 mL于已稱重的100 mL干燥錐形瓶中，稱其質(zhì)量，得水層溶液的質(zhì)量為mG。然后滴加預(yù)先配好的體積比為50%正己烷-乙醇混合物(含乙醇的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為53.6%)，不斷振蕩，溶液由濁變清時(shí)，即為滴定終點(diǎn)，并稱其質(zhì)量，得到正己烷-乙醇混合物的質(zhì)量為mE。

3 結(jié)果與討論

3.1 溶解度曲線的數(shù)據(jù)處理

在室溫為10.0 ℃和大氣壓為101.90 kPa下，通過查閱資料[9]計(jì)算得正己烷、乙醇和水的密度分別為0.6920 g·cmˉ3、0.7979 g·cmˉ3和0.9997 g·cmˉ3。根據(jù)溶解度曲線的測(cè)定這一步驟得到的數(shù)據(jù)，先計(jì)算出各組分的質(zhì)量，再由m總= m正己烷+m乙醇+m水，分別計(jì)算出各組分的百分含量，結(jié)果見表1所示。

表1 正己烷-乙醇-水三組分液系相圖實(shí)驗(yàn)測(cè)定的相關(guān)數(shù)據(jù)

同時(shí)，從文獻(xiàn)[10]中查到正己烷在水的溶解度很小，可忽略不計(jì)。

3.2 三組分相圖的繪制

在室溫為10.0 ℃和大氣壓為101.90 kPa下，將表1中各編號(hào)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在等邊三角形坐標(biāo)上標(biāo)出，連成光滑曲線，并延長至三角形的兩個(gè)頂點(diǎn)B和C，得到曲線BDC，稱為雙結(jié)點(diǎn)溶解度曲線，簡稱為雙結(jié)線。繪制正己烷-乙醇-水三組分液系相圖如圖3所示。

由圖3可知，正己烷和乙醇，乙醇和水均能以任意的比例互溶，而正己烷和水幾乎是不互溶的。隨著乙醇含量的增加，使得正己烷和水的互溶度增加，兩層溶液分別沿著曲線BG和CHF上升，且組成逐漸靠近，最后縮為一點(diǎn)D，此時(shí)乙醇、正己烷在三組分液系中的含量分別為73.0%、14.1%，D點(diǎn)稱為等溫會(huì)溶點(diǎn)。曲線BDC內(nèi)即帽形區(qū)內(nèi)，三組分系統(tǒng)部分互溶，形成兩個(gè)共軛的三組分溶液，相數(shù)為2，由相律得到自由度為1。在帽形區(qū)以外，三組分系統(tǒng)完全互溶，相數(shù)為1，自由度為2。

3.3 連結(jié)線的繪制

將表1編號(hào)O溶液的組成繪制于圖3中，得到物系點(diǎn)O。用體積比為50%正己烷-乙醇的混合物(組成點(diǎn)為E)滴定水層(相點(diǎn)G)，溶液由渾濁變澄清(相點(diǎn)F)。加入正己烷-乙醇混合物的質(zhì)量mE與水層G的質(zhì)量mG之比有mE/mG= FG/EF的關(guān)系式[7]，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表 2 連接線測(cè)定數(shù)據(jù)

通過計(jì)算要使得圖3的FG/EF為12.9，過E點(diǎn)做溶解度曲線的割線，使得線段 FG/EF的比值符合上述關(guān)系，從而就可以把G點(diǎn)的位置給確定。再連接G和O并延長至交溶解度曲線于H點(diǎn)，線段GH就是過物系點(diǎn)O的連接線。帽形區(qū)內(nèi)，物系點(diǎn)為O時(shí)，G點(diǎn)和H點(diǎn)處的溶液就是共軛溶液，根據(jù)連接線GH的長度，用杠桿規(guī)則可求得共軛溶液數(shù)量的比值，即mG: mH=|OH|:|OG|。

4 小結(jié)

(1)在室溫為10.0 ℃和大氣壓為101.90 kPa下，采用濁點(diǎn)滴定法測(cè)定各組分的溶解度曲線，繪制出正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖。結(jié)果表明，在正己烷-乙醇-水的三組分液系相圖中，等溫會(huì)溶點(diǎn)D點(diǎn)處，乙醇、正己烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73.0%、14.1%；當(dāng)三組分液系中乙醇的含量大于73.0%時(shí)，三組分液系完全互溶；雙結(jié)點(diǎn)溶解度曲線BDC內(nèi)，三組分液系部分互溶，形成兩個(gè)共軛的三組分溶液；物系點(diǎn)為O時(shí)，共軛溶液數(shù)量的比值為mG: mH=|OH|:|OG|。

(2) 該實(shí)驗(yàn)所用試劑毒性很小，環(huán)境友好，實(shí)驗(yàn)方法簡單，快速，易于操作，為正己烷-乙醇-水的三組分液系在油脂工業(yè)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

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Drawing n-Hexane-Alcohol-Water of Ternary Liquid Phase Diagram

MENG Xiao-yan1，HU Xiao-yan2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shangrao Normal University, Shangrao Jiangxi 334001, China； 2. Ayyuan Tangcun School，Ganzhou Jiangxi 342113，China)

The n-hexane-alcohol-water ternary liquid phase diagram was obtained through the solubility curves of the ternary determined by cloud-piont-titration method. It showed that at room temperature 10.0 ℃, in the n-hexane-alcohol-water ternary liquid phase diagram, at the isothermal consolute D point, the mass fraction of alcohol and n-hexane was 73.0% and 14.1%, respectively. Two conjugate ternary solutions were formed in the binodal solubility curve BDC, and at the system point O, the mass ratio of the two conjugate solutions was mG: mH=|OH|:|OG|.

cloud-piont-titration method; solubility curves; n-hexane-alcohol-water; the ternary liquid phase diagram

2016-03-16

孟曉燕(1978-)，女，安徽臨泉人，講師，碩士，主要從事物理化學(xué)教學(xué)和研究工作。E-mail:Mengxiaoyan-bin@163.com

O625.61

A

1004-2237(2016)06-0074-04

10.3969/j.issn.1004-2237.2016.06.016