乙醇-正丙醇物系的折光率-温度-组成的关系模型建立

张振坤

(吉林化工学院，吉林　吉林　132022)



乙醇-正丙醇物系的折光率-温度-组成的关系模型建立

张振坤

(吉林化工学院，吉林吉林132022)

通过测定乙醇-正丙醇物系的折光率，探讨建立乙醇-正丙醇物系的乙醇折光率-组成-温度模型，用以快速、准确确定双组分溶液中组分含量。该方法通过测定不同温度、不同组分组成的折光率，用最小二乘法拟合折光率-温度，折光率-组成以及折光率-组成-温度三者间的关系。并且用实验实测折光率值和利用建立的模型计算的理论值对比，经验证表明，结果可靠，模型有效合理，便于在不同温度下准确计算出溶液的组成。

乙醇；丙醇；折光率；模型

折光率是有机化合物最重要的物理常数之一，它能精确而方便地测定出来，作为液体物质纯度的标准，它比沸点更为可靠。利用折光率，可鉴定未知化合物。折光率也用于确定液体混合物的组成[1-2]。在蒸馏两种或两种以上的液体混合物且当各组分的沸点彼此接近时，那么就可利用折光率来确定馏分的组成。因为当组分的结构相似和极性，混合物的折光率和物质的量组成之间常呈线性关系。物质的折光率不但与它的结构和光线波长有关，而且也受温度、压力等因素的影响。由于通常大气压的变化，对折光率的影响不显著，所以只在很精密的工作中，才考虑压力的影响。在实际工作中，往往把某一温度下测定的折光率换算成另一温度下的折光率。

折光率的测量，所需样品少，测量精度高，重现性好，是教学实验、科研中常用的测定方法，通常用测定折光率的方法确定溶液的组成是先将溶液组成和折光率的对应关系绘制成图线，然后在对所需确定组成的溶液，在确定其折光率后插图得到其组成。这样查图的方法精度低，而且由于折光率受温度的影响，所以在查图确定组成时，必须要求测定的折光率的值的温度和图所测定的温度必须严格一致，这样给测定条件带来了限制。为了减少检测误差和降低测试时温度的实验限制，本文作者根据实际的工作，建立乙醇-正丙醇的的折光率-温度-组成的最优关系模型，便于在不同温度下准确计算出溶液的组成。

1　实验部分

1.1实验所用仪器和药品

1.1.1仪器

阿贝折光仪1台；超级恒温水浴1台；系列移液管(5 mL、2 mL、1 mL)各1个； 试管10个。

1.1.2试剂

无水乙醇(分析纯≥99.7%)，天津大茂化学试剂厂；正丙醇(分析纯≥99.8%)，天津永大化学试剂有限公司；蒸馏水，自制。

1.2实验步骤

1.2.1溶液的配置

(1) 用不同体积的移液管分别准确移取9 mL、8 mL、7 mL、6 mL、5 mL、4 mL、3 mL、2 mL、1 mL无水乙醇与9只试管中配置成10 mL的乙醇-正丙醇待测液，摇匀[3-4]。摩尔分数计算式如下：

式中：X——摩尔分数

ρ——密度，g/mL

V——体积，mL

M——摩尔质量，g/mol

1.2.2实验测定

分别在恒定温度为293.15 K、298.15 K、303.15 K、308.15 K、313.15 K、318.15 K下分别测定上述配置的9种乙醇-丙醇溶液的折光率，并记录。

2　数据处理

2.1实验数据

根据上述公式计算所配溶液的摩尔分数见表1。

表1　溶液摩尔分数

测定6个恒定温度下的折光率结果如表2所示。

表2　不同温度、不同组成下乙醇-正丙醇溶液的折光率

由表2数据分析可知折光率的变化趋势，乙醇的折光率随着温度的升高而减小，随摩尔分数的增加而降低。

2.2折光率-温度关系模型

对实验数据用最小二乘法进行数据拟合，拟合后曲线列于图1，表3列出不同浓度时折光率与温度的关系式和相关系数。

表3　不同浓度下溶液折光率-温度关系

由表3分析可得：利用最小二乘法拟合的关系模型其相关系数皆大于0.990，模型准确，可靠。

图1　乙醇-正丙醇溶液折光率-温度关系曲线

2.3折光率-组成关系

对实验数据用最小二乘法进行数据拟合，拟合后曲线列于图2，表4列出不同温度时折光率与组成的关系式和相关系数。

表4　不同温度下溶液折光率-组成关系

图2　乙醇-正丙醇溶液折光率-组成关系曲线

由表4分析可得：利用最小二乘法拟合的关系模型其相关系数皆大于0.990，模型准确，可靠。

2.4乙醇-正丙醇溶液折光率-温度-浓度关系

利用最小二乘法原理和自编MATLAB程序[5]求出折光率-温度-摩尔分数的数学模型为：

2.5校验

为了验证模型的可信度，在303.15 K下，利用拟合关系模型对9种不同摩尔组成的溶液进行计算并和实验实际测定值进行比较，如表5结果表明，得出其相对误差小于0.2%，拟合折光率-组成-温度关系模型在一定程度上是有效可行的。

表5　乙醇-正丙醇溶液折光率-温度-摩尔分数模型预测值与实验值比较

续表5

0.74910.25091.36471.36270.150.65750.34251.36711.36490.160.56140.43861.36901.36730.120.46040.53961.37151.36980.120.35420.64581.37351.37250.070.24240.75761.37601.37530.050.12450.87551.37861.37820.03011.38021.38130.08

3　结　论

根据上述分析可得：

(1) 乙醇-正丙醇溶液，乙醇的折光率随温度的升高而降低；

(2) 乙醇-正丙醇溶液，乙醇的折光率随摩尔分数的增加而降低；

(3) 本文拟合的折光率-温度-组成模型，可以较精确的计算不同温度的乙醇的含量，为建立在线监测乙醇-丙醇溶液中乙醇的含量提供了模型基础。

[1]王军,张丽君.物理化学实验[M].北京:化学工业出版社,2010:85-88.

[2]高丕英,李江波.物理化学实验[M].上海:上海交通大学出版社,2010:36-39.

[3]曾国勇.甲醇-乙醇双液系折光率-组成模型研究[J].广州化工,2011,39(5):103-105.

[4]戈芳.双液体系折光率—组成工作曲线的绘制[J].三明师专学报,2000(2):70-72.

[5]周开利,邓春晖.Maltab基础及应用教材[M].北京:北京大学出版社,2007:121-138.

Modelling the Refractive Index-temperature-composition Relationship of Ethanol-propylene Glycol Mixture

ZHANG Zhen-kun

(Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin Jilin 132022,China)

Model of refractive index-composition-temperature relationship of the solution was discussed through the refractive index of Ethanol-propylene glycol mixtures,in order to determine the content in two-component solution quickly and accurately.The method used the least square to fit the relationships between refractive index-temperature,refractive index-composition and refractive index-composition-temperature by measure of different temperatures and refractive index of different components.The results were validated,the model was reasonable effective.

ethanol;propanol;refractive index;model

张振坤(1973-)，女，副教授，主要从事化学工程与分析方面的教学与研究。

TQ014

B

1001-9677(2016)04-084-03