水和酒精混合后体积变小的模型

乙醇和水的相平衡图：

相平衡是指多相系统中各相变化达到的极限状态。此时在宏观上已经没有任何物质在相际传递，但在微观上仍有方向相反的物质在相际传递，且速度相等，故传递的净速度为零。

化工热力学研究的两相系统的平衡，有气液平衡、气固平衡、汽液平衡、汽固平衡、液液平衡、液固平衡和固固平衡；相数多于2的系统，有气液固平衡、汽液液平衡等。

扩展资料：

相平衡条件及相关概念

在一个封闭的多相体系中，相与相之间可以有热的交换、功的传递和物质的交流。对具有个相体系的热力学平衡，实际上包含了如下四个平衡条件:

（1）热平衡条件:：设体系有α、β、‥‥‥、Φ个相，达到平衡时，各相具有相同温度Tα=Tβ=‥‥‥=TΦ

（2）压力平衡条件:：达到平衡时各相的压力相等：pα=pβ=‥‥‥=pΦ。

（3）相平衡条件：任一物质B在各相中的化学势相等，相变达到平衡：μBα=μBβ=‥‥‥=μBΦ

（4）化学平衡条件：化学变化达到平衡：ΣνBμB=0 [2] 。

相：体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。相与相之间在指定条件下有明显的界面，在界面上宏观性质的改变是飞跃式的。体系中相的总数称为相数，用Φ表示。

气体：不论有多少种气体混合，只有一个气相。

液体：按互溶程度可组成一相、两相或三相共存。

固体：一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶除外，它是单相）

自由度：确定平衡体系的状态所必须的独立强度变量的数目称为自由度，用字母f表示。这些强度变量通常是压力、温度和浓度等。

独立组分数：在平衡体系所处的条件下，能够确保各相组成所需的最少独立物种数称为独立组分数。

参考资料来源：百度百科——相平衡

由题意可知，酒精的水溶液中溶质和溶剂中的氢原子个数相等氢原子数相等，由于每个乙醇分子中含6个氢原子，每个水H2O分子中含2个氢原子．

溶液中乙醇分子与水分子间的关系．

C2H5OH～6H～3H2O

46           54

则该溶液的溶质质量分数为：

46

46+54

×100%=46%．

故答案为：46%．

对于能形成共沸物的混合溶液来说，普通的精馏方法是很难进行分离的。例如：乙醇—水溶液，因为乙醇同水形成了共沸物。在常压下，共沸组成为4.43%的水，95.57%的乙醇。共沸点为78.15℃。即当乙醇—水溶液浓度为95.6%时，溶液的汽液相组成（平衡组成）相等。这就无法用普通精馏的方法将惭醇溶液再浓缩，即得不到纯度高于95.6%的乙醇。但我们可根据共沸精馏的原理。选择一个好的共沸剂，使之与水和乙醇形成三元共沸物，从而达到分离目的，即可得到无水乙醇。

表1列举了常压下几种共沸剂与乙醇、水形成三元共沸物的特性。

表1 三元共沸物特性表

组分各纯组分沸点三 元

共沸点（℃）共沸物组成wt%

123123123

乙醇水苯78.310080.264.8518.57.474.1

乙醇水乙酸乙酯78.310077.1570.238.49.082.6

乙醇水甲苯78.3100110.774.55———

乙醇水三氯甲烷78.310061.1555.54.03.592.5

在表1所列共沸剂中（组分3），以苯应用最早、最广。虽然目前有被三氯甲烷和乙醇乙酯取代的趋势，但本实验考虑到苯作共沸方法成熟，现象明显，数据较全，便于学生掌握，故用苯作共沸剂制无水乙醇。

一、实验目的

1．巩固并加深理解课堂所学的共沸精馏的有关内容，着重掌握选取共沸剂并用加共沸剂的方法进行分离的原理和方法。

2．熟悉实验室的精馏设备和操作方法。

3．熟练运用三元相图表示溶液各组成的变化过程。

二、实验原理

乙醇（A）、水（W）、苯（B）三者之间可以形成一个三元共沸物，现将它们之间存在的共沸物情况列于表2。

表2 乙醇、水、苯之间存在共沸物的情况

共 沸 物共沸点（℃）共沸物组成

AWB

乙醇—水（二元）78.1595.574.43—

苯—水（二元）69.25—8.8391.17

乙醇—苯（二元）68.2432.37—67.63

乙醇—水—苯（三元）64.8518.57.474.1

当添加适当数量的苯于工业乙醇中蒸馏时，则乙醇—水—苯三元共沸物首先馏出，其次为乙醇—苯二元共沸物，无水乙醇最后留于釜底，其蒸馏过程以图1说明。

图1 乙醇—水—苯三元相图

正三角项点A、W、B分别表示乙醇，水和苯纯物质。T点为A—W—B三元共沸物组成，C点表示A—W二元共沸物组成，D点表示A—B的二元共沸组成，E点为W—B的二元共沸组成。曲线LNM为饱和溶解度曲线，该线以下为两相共存区，系线两端表示两相组成。该曲线受温度的影响而上下移动。

设以95%的乙醇为原料（图1中G点），加入共沸剂，各组成顺GB线变化，设结果得组成为H的混合物。蒸馏时，若塔足够高，则三元共沸物先馏出（64.85℃），组成为T点组成。而釜中残液的组成沿THJ线向J点移动。当达到J点时，残液中已无水分塔项温度升高到68.2℃，馏出A—B二元共沸组成（组成为D点所示），残液组成沿JA线向A点移动，蒸馏温度达到78.3℃时，塔底残液即为无水乙醇。

由图1所示，H点表示最初塔釜混合物的组成，若加苯后使其组成正好在AT线与GB线的交点处（H点），则三元共沸物馏出后，残液变成纯乙醇，此时的共沸剂用量为理论共沸剂用量，但实际操作时宜于添加稍过量的苯，使脱水完全。

首先馏出的大部分为三元共沸（其总组成为T点所示），冷凝后分为两相，一相以苯为主，称苯富相；一相以水为主，称水富相。一般可利用分相器分层将苯相回流，水相采出，使共沸剂不至浪费，也可使精馏时间缩短。但本实验为便于分析计算，未采用分相回流，而是混相回流。继三元共沸后，馏出物为均相的二元共沸物（组成为D点所示）。

三、实验药品、设备用仪器

1．药品

工业乙醇（约含95%乙醇，5%水）。

苯：分析纯，含苯99.5%。

2．设备及仪器

（1）镀水银真空夹套玻璃精馏一套，内装不锈钢网状填料

（2）1000ml三口蒸馏烧瓶 1个。

（3）1000ml电加热套 1个。

（4）2KVA调压器 1台。

（5）阿贝折光仪 1台。

（6）超级恒温水浴 1台。

（7）秒表2块。

3．实验装置图

1．塔顶温度计

2．精馏头（冷凝器）

3．出料阀

4．接收瓶

5．精馏塔（内装填料）

6．塔底温度计

7．三口烧瓶（再沸器）

8．电热套

四、实验操作步骤

1．原料配制

称取95%乙醇100克，加苯量计算：

100克95%乙醇中含水5克，按馏出物为三元共沸物计，将5克水完全脱除需加苯：5× 克，为保证水脱除彻底，使苯量略为过量，故加苯54克。即原料中：乙醇95克，水5克，苯54克。

2．实验操作

（1）将原料加入釜中，先开塔顶冷却水，再开塔釜电加热设备。

（2）从塔顶见液体滴下起，全回流20分钟，然后以回流比R=10出料，注意观察塔顶温度变化及馏出液分层情况。

（3）当塔顶温度略有升高，塔顶馏出物由混浊（分层）变为清晰时（不分层），更换出料接收瓶，并加大回流比，使R=13～15。继续出料，观察塔顶温度变化情况，当顶温超过70℃时，回流比加大至20：1。

（4）将更换下来的接收瓶中的出料称重，然后倒入分液漏斗分层（分液漏斗有夹套，保温在25℃），待分层清晰后，分出水层及油层，称重，并分别测两层的折光率ηD25℃。

（5）当塔顶温度升至73℃以上时，停止出料，抽取釜液测其折光率ηD25℃，当与市售无水乙醇（浓度得不小于99.5%）折光率相近时，即认为合格。

（6）关闭塔釜电热设备，塔顶不见液体滴出后，再10分钟关闭冷却水。

（7）实验自始自终每隔15分钟记录一次釜温、顶温及回流比等数据。

五、数据记录及处理

1．根据表2、表3绘出组成一折光率曲线，在曲线中查出馏出液的组成。

（2）作正三角相图。参照表2画出25℃时的溶解度曲线，系线，标出褶点。根据所测组成标出三元共沸点，原料点，并在图中表示本实验的精馏过程。

表2 水—苯—乙醇系统在25℃下的平衡组成

苯富相Wt%水富相Wt%

乙醇苯ηD25℃乙醇苯ηD25℃

1.8598.001.494015.610.191.3431

3.8595.821.489730.010.651.3520

6.2193.321.486138.501.711.3573

7.9191.251.482944.002.881.3615

11.000.811.477549.758.951.3700

14.6883.501.471452.2815.211.3787

18.2179.151.465051.7222.731.3890

22.3074.001.4575499529111.3976

23.5872.411.455148.8531.851.4011

30.8562.011.440843.4242.891.4152

褶点组成：水10.25%

乙醇37.65%

苯52.10%

表3 苯—乙醇系统组成与折光率的关系

乙醇含量Wt%折光率ηD25℃乙醇含量Wt%折光率ηD25℃

01.4980346.781.42815

2.711.4940157.221.42392*

5.871.4888571.001.39555

12.791.4779084.921.37772

1.9341.47667*91.601.36923

36.781.442191001.35929

表中带*的两个数据可能有误，可不予参考。

六、思考题

1．形成共沸物的条件。

2．共沸剂的选择条件。

3．什么是理论共沸剂量？共沸剂加入量如何计算？共沸剂加入量过多或过少有什么不好？

4．两次增大回流比的目的是什么？

5．为什么要先停电热，后关冷却水？

酒精是乙醇和水的混合物，不是纯净物，不能拿来比较分子大小；

酒精中的乙醇分子式是C2H6O水的分子式是H2O,乙醇的组成原子比较多，分子也就比较大；

有问题请追问！

可能是因为水的深度不够深，酒精最开始并没有来得及与水互溶吧，因为二者的接触机会没有倾倒时的大，倾倒混溶一般是水入酒精，而不能酒精入水，因为水的密度大于酒精，这样倒入后由于剧烈翻滚容易互溶(当然还要搅拌)，相反酒精入水，则酒精会浮在表面，不太容易快速与水互溶(两种液体互溶都是密度大的往密度小的里头倒，不能反，比如稀释浓硫酸)。如果是往水上滴酒精，则酒精就会暂时浮在水的上面，与水发生一些物理的作用而产生抖动等现象，之后酒精才溶于水。酒精能够和水互溶，最关键的一点就在于，乙醇分子会和水分子之间形成较强的氢键作用，致使酒精的水溶性大大增强。氢键是一种特殊的分子之间的作用，主要产生于已经和N、O、F结合的H原子和其他的N、O、F原子之间，氢键用“…”表示，比如NH3与H2O之间的氢键可以表示为“N—H…O”，氢键是一种比分子间作用力稍强的作用力，但远小于化学键，氢键的形成能够影响物质的溶沸点和溶解性等性质。C2H5OH于水分子之间的氢键是C2H5O—H…O，或C2H6O…H—O氢键的知识高一、高二都会提到，高三就要求掌握，我们那一届就是的，不知道现在课改后是什么样。我今年刚上大一。

水和酒精共沸，原因是水与酒精结构不同，因此不同浓度的水-酒精体系对于两种气体分子的吸纳能力会产生变化，或者说产生了超额吉布斯自由能，使得化学势改变。

对于低浓度的酒精-水体系，水蒸气比酒精蒸汽更容易进入体系，这与Raoult规律相符。但随着体系浓度的升高，高浓度的酒精开始对水分子产生一定的排斥作用。而当浓度上升到95%时，这种排斥作用已经可以抵消水的挥发度劣势，气体组成与液体组成变为相等，溶液共沸。

扩展资料：

当溶液共沸点的沸点温度低于其所有组成成分的沸点则称该溶液为正共沸物。较为有名的正共沸物是重量百分浓度为95.63%的乙醇与4.73%的水混合溶液。

其中，乙醇的沸点为78.4°C，而水的沸点则为100°C，但共沸点的沸点温度则为78.2°C，同时低于其组成成分乙醇与水的沸点。事实上，在所有组成比例的酒精--水混合液中，沸点78.2°C是最低的。任何正共沸物的沸点都低于该混合溶液其他组成比例的沸点。

当溶液共沸点的沸点温度高于其所有组成成分的沸点则称该溶液为负共沸物。较为有名的负共沸物是重量百分浓度为20.2%的盐酸(氯化氢--水混合溶液)。

其中，氯化氢的沸点为-84°C，而水的沸点则为100°C，但共沸点的沸点温度则为110°C，同时高于其组成成分氯化氢与水的沸点。事实上，在所有组成比例的盐酸中，沸点110°C是最高的。任何负共沸物的沸点都高于该混合溶液其他组成比例的沸点。

参考资料来源：百度百科—共沸

乙醇和水的自由度：f=C-P+2=2-1+2=3。

乙醇+乙酸生成乙酸乙酯+水，平衡时4种物质互溶，相数P=1，独立组分数C=物种数4-化学平衡数1-浓度限制条件数1（乙酸乙酯量等于水的量），自由度数f=C-P+2=2-1+2=3。

乙醇中的C2H5－基团属于斥电子基，因此把电子排斥给了－OH中的氧，说的通俗一点，C2H5－把电子迫切的推给氧，因此氧就不那么着急管－H要电子了，使的H并没有形成完全赤裸的质子核，所以－OH键的极性就很小．因此很难电离．甚至比水还难电离。

物理性质

乙醇是带有一个羟基的饱和一元醇，可以看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代的产物，或者是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分子是由C、H、O三种原子构成的极性分子，其中C、O原子均以sp³杂化轨道成键。

以上内容参考：百度百科-乙醇