Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Исследование равновесия пар-жидкий раствор в бинарных системах с неограниченной взаимной растворимостью жидкостей.
Цель и задачи работы.
Измерение температур кипения бинарных смесей различного состава при заданном давлении. Определение равновесных концентраций пара и жидкости для каждого состава. Построение диаграмм температура-состав и состав пара-состав жидкости. Расчеты на основе этих диаграмм.
7.1 Теоретические сведения.
Если при образовании раствора не происходит изменение объема (DV=0) и энтальпии системы (DH=0), то такой раствор называется идеальным. Идеальные растворы образуются тогда, когда исходные компонента близки по свойствам (смеси изотопов, гомологов и т.п.).
Во всем интервале концентрации растворитель А и растворенное вещество В идеального раствора подчиняются закону Рауля:
(7.1)
(7.2)
где, PA и РВ – парциальные давления паров летучих компонентов А и В над раствором.
и - давление паров над чистыми компонентами.
и - молярные доли этих компонентов в растворе (+=1).
При невысоких давлениях пар можно считать смесью идеальных газов. Тогда, согласно закону Дальтона, общее давление пара над идеальным раствором будет равно сумме парциальных (частичных), давлений пара компонентов:
(7.3)
Зависимость общего и парциального давлений пара от состава идеального раствора показано на рис. 7.1.
Рис 7.1
В большинстве случаев состав пара отличается от состава жидкого раствора, из которого он получен. Если пар подчиняется законам идеальных газов и находится в равновесии с идеальным раствором , то его состав можно найти, зная состав жидкого раствора:
; ;
(7.4)
На практике имеют дело с неидеальными растворами, имеющими отклонения от идеальности, которые вызываются как физическими, так и химическими величинами (дипольные взаимодействия, поляризация, образования водородных связей, ассоциация, диссоциация, сольватация и др.). Отклонения могут быть положительными и отрицательными.
В растворах с положительными отклонениями от идеальности (рис. 7.2).
DU>0. Образование таких растворов сопровождается поглощением теплоты и увеличением объема.
Рис.7.2
В растворах с отрицательным отклонением от идеальности DU<0. Образование таких растворов сопровождается выделением теплоты и уменьшением объема. (рис.7.3)
Рис.7.3.
Для неидеального раствора состав пара находится не по уравнению (7.4), а экспериментальным путем.
Для изучения равновесия пар-жидкий раствор применяют два типа диаграмм состояния: 1) диаграммы давления пара-состав (Т=const) и 2) диаграммы температура кипения-состав (P=const). Чаще пользуются вторыми диаграммами. Разные виды диаграмм даны на рис. 7.4.
Рис 7.4. Диаграммы кипения бинарных систем (изобары, Р=const):
I – идеальный раствор;
II – неидеальный раствор с незначительным положительным отклонением;
III – неидеальный раствор с незначительным отрицательным отклонением;
IV - неидеальный раствор со значительным положительным отклонением;
V - неидеальный раствор со значительным отрицательным отклонением от закона Раулл.
На этих диаграммах фигуративные точки TA и TB изображают температуры кипения чистых компонентов при данном внешнем давлении P. Каждая из диаграмм кипения имеет две кривые, разделяющие диаграмму на три области:
1) Область пара (П) 2) Область жидкости (Ж) 3) Область равновесия пара и жидкости ().
Число степеней свободы соответственно равно:
С1=2-1+1=2
С2=2-1+1=2
С3=2-2+1=1
Фигуративные точки, лежащие на нижней кривой, характеризуют составы кипящих жидкостей и температуры при которых начинают кипеть жидкости заданного состава при данном давлении Р. Фигуративные точки, лежащие на верхней кривой, характеризуют составы насыщенного пара и температуры, при которой исчезают последние капли жидкости при кипении исходных смесей.
Характерной особенностью неидеальных растворов со значительным положительным или отрицательным отклонениями от закона Рауля является их способность образовывать азеотропные смеси, которые на диаграммах состояния изображена точкой а.
Азиотропные смеси – это растворы при испарении которых получается пар того же состава, что и исходная жидкая смесь. На диаграммах появляются экстремальные точки а.
Поскольку азеотропные смеси кипят при данном внешнем давлении при постоянной температуре ,как и чистые вещества ,то правило фаз для них рассчитывается так:
С=2-2+1-1=0
По диаграммам состояния можно определять качественные и количественные состава равновесных фаз. Рассмотрим диаграмму (Рис. 7.5.).
Рис. 7.5. Диаграмма кипения системы для азеотропной смеси.
Точка 1 – фигуративная точка, отвечающая составу Х1. Отрезок АХ1 определяет массовую долю компонента В в данной системе, а отрезок ВХ1 – массовую долю компонента А. Внутри «линзы» система имеет гетерогенность. Точка О отвечает составу ХА. При проведении соединительной прямой (ноды) получаем точки n и m, проекции которых на горизонтальную ось дают составы парообразной и жидкой фаз соответственно.
Для определения количественных соотношений между фазами применяют «правило рычага». Для точки О масса системы m=m*+mП. Из уравнения mxA=m*+mП+m,
выражающего распределение вещества А между жидкой и парообразными фазами получаем:
(7.5)
Масса равновесных фаз обратно пропорционально отрезкам, но которые делит ноду фигуративная точка гетерогенной системы.
7.2 Объекты и средства исследования.
1.Чистые органические жидкости и их бинарные растворы.
2. Прибор для определения температур кипения жидких смесей.
3. Серия колб с притертыми пробками.
4. Рефрактометр.
5. Водяная баня.
7.3. Подготовка к работе.
В несколько сухих колб с притертыми пробками налить чистые органические жидкости А и В, а также смеси А и В разного состава.
7.4. Программа работ.
7.4.1. Для каждой исходной смеси сначала определить с помощью рефрактометра показатель преломления. Эти измерения нужно проводить быстро, не забывая удалять с призм рефрактометра фильтровальной бумагой предыдущую пробу.
7.4.2. Определить температуру кипения смеси каждого состава. Для этого в сосуд прибора налить смесь определенного состава, вставить термометр (шарик термометра должен быть погружен в жидкость), в холодильник пустить воду и начать медленно нагревать сосуд.
7.4.3. После того как температура кипящей жидкости перестанет заметно изменяться снять показания термометра, а из нижнего шарика холодильника отобрать пробу конденсата и определить его показатель преломления n. Для отбора пробы нужно воспользоваться пипеткой, на которую надета резиновая трубка, закрытая пробкой.
7.4.4. После первого замера отобрать новую пробу конденсата и более точно определить n. Температуры кипения смеси до и после отбора пробы не должны отличаться более, чем на один градус.
7.4.5. Прекратить нагрев, сосуд охладить, удалить из него смесь.
7.4.6.Такой опыт провести со всеми смесями и чистыми компонентами (в последнем случаи шарик термометра находится в паровой фазе).
7.4.7. Экспериментальные данные занести в таблицу 7.1.
Таблица 7.1
|
Состав исходной смеси |
Температура кипение |
Показатель преломления |
Состав пара А, % мас. |
||||
|
А, % об. |
А, % мас. |
До отбора пробы |
После отбора проб |
Среда |
Исх. смеси |
Конденсаты |
|
7.4.8. На листе миллиметровой бумаге размером не менее 15 см. 15 см. построить график зависимости показателя преломления исходной жидкой смеси от её состава (мас. % или мольные % А) и по показателю преломления конденсата из графика определить состав пара.
7.4.9. Построить диаграммы температуры кипения – состав и состав пара – состав жидкости, на которых указать давление в опыте. Полученную диаграмму кипения можно проанализировать, пользуясь правилом фаз Гиббса.
7.5. Контрольные вопросы.
1.
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush