Практикум по физической химии (стр. 8 )

8. Когда температура в ампулах приблизится к требуемой, можно начинать измерения. Нагретые ампулы переставляем в измерительный блок и производим запуск измерений нажатием кнопки «Измерение». Появится окно состояния измерения — «Обмен данными с контроллером», где будут отображаться результаты текущих измерений. В ходе проведения измерений в окне будет отображаться кривая охлаждения в одной из ампул. Наблюдение за текущей температурой в остальных ампулах следует производить, переключая каналы в группе элементов «Отображение каналов». Измерения необходимо проводить до температуры 25 °С во всех ампулах.

9. Когда температура в ампулах примет требуемое значение, необходимо остановить измерения путем нажатия в окне состояния измерения («Обмен данными с контроллером») кнопки «Стоп».

10. После проведения первого эксперимента следует продолжить проведение работы с очередными ампулами. Для этого необходимо перейти в окно «Управление» и нажать кнопку «Текущее состояние». Далее можно продолжить выполнение работы, начиная с п. 7.

Таблица 4.1. Составы исследуемых смесей.

№	Фенол	Нафталин
0	100	0
1	90	10
2	80	20
3	70	30
4	60	40
5	50	50
6	40	60
7	30	70
8	20	80
9	10	90
10	0	100

Обработка результатов эксперимента.

1. Полученные результаты хранятся в памяти компьютера. Для построения кривых охлаждения необходимо провести операцию добавления графика. Добавление очередного графика осуществляется после нажатия кнопки «Добавить график» в специальном окне, в котором определяется соответствие между координатами графика и данными, полученными на измерительных каналах или временем (значением варьируемого параметра). Необходимо выбрать для оси абсцисс (X) «Время», а для оси ординат (У) —требуемый канал. Также необходимо выбрать номер эксперимента, в ходе которого была получена очередная кривая охлаждения. Таким образом, мы построим все кривые охлаждения.

2. В результате получим первичные графики зависимости температуры в ампулах от времени охлаждения. Графики отображаются по одному в окне «Графики». Переключение между трафиками осуществляется нажатием кнопок < и > в правой части управляющей палитры. Там же отображается номер текущего графика и номер эксперимента, в ходе которого он был получен. Значение дополнительного параметра отображается в правом верхнем углу графика.

3. Далее необходимо провести обработку кривых охлаждения и определить температуры начала фазовых переходов. Все отмеченные точки автоматически будут переданы на суммарный результирующий график, если поставить «галочку» в поле «Измерения на суммарный график».

4. Далее в окне «Графики» необходимо выбрать измерительный инструмент «прицел», расположенный на управляющей палитре в верхней части графика, и отметить (левой кнопкой «мышки») точки изломов на кривой охлаждения или температурные остановки. На рисунке приведен пример обработки типичной кривой охлаждения. Удалить ошибочно установленные точки можно, нажав правую кнопку «мышки» после позиционирования курсора на требуемой точке.

В случае если проявляется существенное переохлаждение, то порядок обработки несколько усложняется. Для получения правильных результатов следует экстраполировать участок кривой охлаждения, находящейся после переохлаждения, до участка, находящегося до переохлаждения, с помощью инструмента «Линейка». Пересечение этих линий будет указывать на точку, в которой должен был начаться фазовый переход. Для удобства проведения построения можно увеличить интересующий участок.

5. После того как отмечены все точки на кривых охлаждения, полученную диаграмму можно построить в окне «Результат». Для этого необходимо назначить соответствие оси абсцисс суммарного графика составам смесей исследуемой системы. Для этого в соответствующем поле «X =» вводим обозначение дополнительного параметра — d (см. рис.). Справа в таблице будут отображаться значения координат точек на графике. Полученные графики могут быть распечатаны на принтере с сохранением выбранного масштаба и элементов оформления. Для этого необходимо перейти в окно «Отчет» и выбрать требуемые для печати графики.

5. Растворы.

5.1. Краткая теория

Растворами называют однородные смеси двух или большего числа веществ (компонентов), которые равномерно распределены в виде атомов, ионов или молекул, образуя термодинамически равновесные системы. С термодинамической точки зрения это фазы переменного состава, в которых при данных внешних условиях соотношение компонентов может непрерывно меняться в некоторых пределах. Различают газообразные, жидкие и твёрдые растворы.

Основными термодинамическими характеристиками растворов являются так называемые функции смешения. К ним относятся изменения энтропии, энергий Гиббса и Гельмгольца, внутренней энергии, энтальпии, объёма системы при образовании раствора из чистых компонентов.

(5.1)

(5.2)

Здесь ni – число молей, хi – мольная доля i-го компонента,

Поскольку мольная доля компонента в растворе может быть только меньше единицы, то из уравнений (5.1 и 5.2) следует, что при образовании истинного раствора из чистых компонентов , а (, и ); иными словами, образование раствора есть процесс самопроизвольный.

Если оба компонента раствора в чистом состоянии летучи, то пар над таким раствором будет содержать оба компонента, однако относительное содержание компонентов в паре в общем случае будет отличаться от их относительного содержания в растворе. Для идеального раствора нетрудно показать количественную связь между составами жидкой и газообразной фазами. Применим к каждому из компонентов закон Рауля

и , (5.3)

где и – парциальные давления компонентов над раствором; и – давления насыщенных паров чистых компонентов в индивидуальном состоянии при той же температуре. Из (5.3) следует

. (5.4)

Отношение парциальных давлений паров компонентов равно отношению их содержания в паре, т. е. уравнение (5.4) можно записать в виде:

. (5.5)

После несложных преобразований можно выразить в явном виде содержание второго компонента в паре и жидкой фазах:

. (5.6)

Следовательно, составы жидкой (х2) и газообразной () фаз различаются, т. к. А практически всегда отличается от единицы. Исключение составляют смеси оптических изомеров и изотопов, для которых и .

Из уравнения (5.6) вытекает вывод о том, что в идеальных системах пар всегда обогащен более летучим компонентом, т. е. компонентом, который в индивидуальном состоянии имеет большее давление насыщенного пара.

Зависимость состава пара от состава раствора и общего давления описывается двумя правилами, сформулированными в 1881 г. . Первое правило Коновалова может быть сформулирован в виде двух положений следующим образом: а) повышение относительного содержания данного компонента в жидкой фазе всегда вызывает увеличение относительного содержания его в паре; б) в двойной системе пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью относительно богаче тем компонентом, прибавление которого к системе повышает общее давление пара, то есть понижает температуру кипения смеси при данном давлении. В качестве примера на рис. 5.1 представлена фазовая диаграмма, подчиняющаяся первому правилу Коновалова.

Рис.5.1. Изотермический и изобарический фрагменты диаграммы состояния бинарного раствора, образованного двумя легко кипящими компонентами.

Диаграмма состоит из трёх областей: I, II и III. Первая (I) соответствует гомогенной системе, состоящей только из жидкого раствора, состав которого может варьироваться. Третья (III) соответствует гомогенной системе, состоящей из паровой фазы также переменного состава состава. Средняя область (II), расположенная между фазовыми линиями, представляет собой гетерогенную систему, состоящую из жидкой и паровой фаз, находящихся в состоянии равновесия. Состав раствора и пара в некоторой точке f можно определить, проведя через нее прямую параллельную оси составов (ноду) до пересечения её с линиями конденсации и кипения. Точка пересечения с линией конденсации (d) определяет состав жидкой фазы, а точка пересечения с линией кипения (c) определяет состав пара.