Изучение взаимной растворимости жидкостей в двухкомпонентной системе
Лабораторная работа по химии №1
Цель работы:
1) По опытным данным построить диаграмму растворимости системы «фенол-вода»
2) Определить критическую температуру растворения.
3) Проанализировать диаграмму по правилам фаз Гиббса.
Теоретическая часть:
Фазовой диаграммой состояния называют диаграмму, выражающую зависимость свойств системы и фазовых равновесий в ней от внешних факторов (Р, Т) или от ее состава. Диаграммы позволяют проводить анализ системы без выделения индивидуальных компонентов. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем с равновесиями: твердая фаза жидкая фаза в координатах температура – состав системы называют диаграммами плавкости и получают экспериментально методом термического анализа , который является частным случаем физико-химического анализа.
Термический анализ сводится к определению температур в течение процесса охлаждения чистых компонентов и их смесей при переходе из жидкого состояния в твердое, а также в построении кривых охлаждения в координатах температура – время. В соответствии с принципами непрерывности и соответствия появление новых фаз отражается на кривых охлаждения участками с замедленной скоростью охлаждения (за счет выделяющейся теплоты кристаллизации) или температурными остановками.
Взаимная растворимость двух жидкостей при заданных температуре Т и давлении р м. б. полной (неограниченной) или ограниченной. В последнем случае растворы в некоторой области составов расслаиваются, т. е. разделяются на две жидкие фазы, отличающиеся по концентрации. В многокомпонентных расслаивающихся растворах число сосуществующих жидких фаз м. б. более двух. Если один (или более) из компонентов растворы неэлектролитов в чистом состоянии при заданных Т и р является газом или твердым телом. область существования растворы неэлектролитов простирается от чистой жидкости (смеси жидкостей), выступающей в роли растворителя, до состава, отвечающего насыщенному раствору.
Важнейшей характеристикой двухкомпонентной системы является диаграмма состояний (фазовая диаграмма) - графическое изображение всех возможных состояний термодинамической системы в пространстве основных. параметров состояния температуры Т, давления P и состава х (обычно выражаемого молярными или массовыми долями компонентов). Для сложных систем, состоящих из многих фаз и компонентов, построение диаграммы состояния является единственным методом, позволяющим на практике установить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Каждое реально существующее состояние системы на диаграмме состояния изображается т. наз. фигуративной точкой; областям существования одной фазы отвечают участки пространства (на трехмерных диаграммах состояния) или плоскости (на двухмерных диаграммах состояния), условиям сосуществования фаз - соотв. поверхности или линии; изменение фазового состояния системы рассматривается как движение фигуративной точки на диаграмме состояния. Анализ относит. расположения объемных участков, поверхностей, линий и точек, которые образуют диаграмму состояния, позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химические соединения образования и распада жидких и твердых р-ров и т. п. Диаграммы состояния используют в материаловедении, металлургии, нефтепереработке, хим. технологии (в частности, при разработке методов разделения в-в), производствах электронной техники и микроэлектроники и т.п. С ее помощью определяют направленность процессов, связанных с фазовыми переходами, осуществляют выбор режимов термообработки, отыскивают оптимальные составы сплавов и т. п. Теоретическими основами построения и интерпретации диаграмм состояния равновесных систем являются: 1) условие фазового равновесия, согласно к-рому хим. потенциалы mi каждого i-го компонента во всех фазах при равновесии равны; 2) условие химического равновесия, согласно к-рому сумма хим. потенциалов вступающих в реакцию веществ при равновесии равна аналогичной сумме для продуктов реакции; 3) фаз правило Гиббса, согласно к-рому число компонентов К, число фаз Ф и вариантность системы v (т. е. число независимых параметров состояния, которые можно в определенных пределах изменять без изменения числа и природы фаз) связаны соотношением: v = К — Ф + 2. Цифра 2 означает, что учитываются только два интенсивных параметра состояния - температура и давление. Если учитываются и др. параметры, напр., напряженности электромагнитного или гравитационного полей, вариантность системы соответственно увеличивается. Для построения диаграмм состояния расчетным путем необходимо знать зависимости хим. потенциалов всех компонентов системы от Т, р и состава фаз. Приближенные методы расчета с применением ЭВМ интенсивно развиваются, в частности, для многокомпонентных сплавов. Однако пока диаграммы состояния строят на основе экспериментальных данных, получаемых гл. обр. термическим анализом, который позволяет определять зависимости температур плавления или кристаллизации от состава, а также изучением равновесий жидкость - пар и жидкость - жидкость. Широко используют рентгеновский фазовый анализ, данные о микроструктуре затвердевших расплавов, измерения физических свойств самих фаз (см. Диаграмма состав-свойство). Изучение диаграмм состояния составляет основное содержание физико-химического анализирования.
При отсутствии в системе твердых фаз диаграмма состояния состоит из области существования одной жидкой фазы (т. наз. области гомогенности) и области сосуществования двух насыщенных жидких р-ров разного состава, образующих несмешивающиеся друг с другом слои (рис. 7). Кривая, разделяющая эти области, наз. бинодалью. Так, при т-ре Т1 в равновесии находятся р-р компонента В в А (его состав отвечает точке С) и р-р А в В (его состав отвечает точке D). Если однородный р-р 1 охладить до температуры Т1, он распадется на две жидкие фазы.
Рис представленный выше - диаграмма растворимости двойной системы, компоненты к-рой А и В ограниченно растворимы друг в друге; 1 область существования однородного р-ра, 2 область сосуществования двух насыщенных р-ров; ECKDF - бинодалью, CD - нода, К -верхняя критическая точка растворимости.
Обычно при повышении температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается, поэтому по своим свойствам оба насыщенных раствора, составы которых изменяются по отрезкам бинодали ЕК и KF, сближаются. Наконец, при т-ре TК различие между ними исчезает; эта температура наз. критической т-рой растворимости (смешения), выше нее может существовать лишь одна жидкая фаза. Большинство систем с расслоением растворов характеризуются только одной критической температурой растворимости чаще всего верхней, на диаграмме состояния имеют незамкнутую снизу бинодаль. Если в таких системах не образуются химические соединения, область сосуществования двух жидких фаз ограничена снизу кривой кристаллизации одного из компонентов при т-ре превращения жидкая фаза 1 D жидкая фаза 2 + твердая фаза. Такое трехфазное равновесие называется монотектическим; В некоторых системах бинодаль имеет форму замкнутой кривой (овал), т. е. система имеет две температуры смешения верхнюю и нижнюю. Диаграмма равновесия жидкость-пар. При р = const каждому составу жидкой смеси отвечает определенная температура равновесия с паром и определенный состав пара, отличающийся, как правило, от состава жидкой смеси. На диаграмме состояния кривые кипения и конденсации изображают зависимости т-р начала кипения и конденсации от состава и отделяют поля жидкости L и пара V от поля (L + V) гетерогенных состояний жидкость-пар. На кривой кипения м. б. экстремум: максимум или минимум в этих точках кривая кипения касается кривой конденсации, т. е. составы равновесных жидкости и пара совпадают Жидкие смеси такого состава полностью выкипают, подобно чистым жидкостям, при постоянной т-ре без изменения состава (см. Азеотропные смеси). Диаграммы состояния, описывающие равновесия двухкомпонентных систем твердых р-ров с жидкими р-рами и жидких р-ров с паром, подобны.
Ход работы:
Помещаем 6 ампул со смесями фенола и воды в разных соотношениях в сосуд с водой и постепенно нагреваем. Иногда осторожно взбалтываем растворы, чтобы помочь протекать реакции более равномерно.
Наблюдения:
Наблюдаем постепенное смешение фенола и воды (раствор становится равномерно прозрачным коричневатого цвета) в таком порядке:
1 – ампула №1
2 – ампула №7
3 – ампула №6
4 – ампула №2
5 – ампула №5
6 – ампула №3
7 – ампула №4
Экспериментальные данные:
| № ампулы | Соотношения масс % | Температура, К | |||
| Фенол | Вода | Гомогенизация(Т1) | Гетерогенизация(Т2) | Средняя(Тср) | |
| 311,5 | |||||
| 336,5 | |||||
| 339,5 | |||||
| 337,5 | |||||
| 336,5 | |||||
| 329,5 | |||||
| 320,5 |
Уравнение реакции и графики:
C6H5OH + H2O = C6H5O- + H+ + OH- + H+
Правило фаз Гиббса: С = К – Ф + Н,где
С - число термодинамических степеней свободы
К - число независимых компонентов(2)
Ф - число фаз(1)
Н - число влияющих на систему параметров(1 - температура)
С=2-1+1=2
Вывод:
1) По экспериментально полученным данным мы построили график растворимости в системе «фенол-вода», представленный выше.
2) Как видно из экспериментальных данных, критическая температура растворения равна 339,5 К – максимальная точка в диаграмме растворимости.
3) По правилу фаз Гиббса число термодинамических степеней свободы данной системы равно 2 – это значит, что для однозначного задания состояния системы необходимо зафиксировать два параметра, например, температуру и давление, которое зависит от концентрации растовров.