Практикум по физической химии (стр. 9 )

Относительное количество пара и жидкости при некотором общем давлении можно определить по правилу рычага, согласно которому отношение масс фаз (если в качестве оси составов выбрана массовая доля), находящихся в равновесии, обратно пропорционально отрезкам, на которые фигуративная точка системы () делит ноду dc. Так, если и - массы паровой и жидкой фаз соответственно, то согласно правилу рычага следует записать:

(5.7)

Если исходный раствор частично испарить, а полученный пар сконденсировать, то появятся два раствора разного состава: один из них будет обогащён по сравнению с исходным более летучим компонентом, а второй – менее летучим; это так называемая простая перегонка. Если этот процесс продолжать, каждый раз объединяя соответствующие растворы (фракции), то, в конце концов, можно разделить первоначальную смесь на исходные компоненты; такой процесс называется фракционной перегонкой. В промышленности он обычно осуществляется на установках непрерывного действия (ректификационных колоннах) и называется ректификацией. Так, например, получают индивидуальные углеводородные составляющие и узкие фракции (бензиновую, керосиновую и так далее) при разгонке нефти, ректификацией при пониженном давлении производят разделение каменноугольной смолы на компоненты (бензол, толуол, ксилолы, пиридин, хинолин и другие).

Рис5.2. Изотермический (а) и изобарический (б) фрагменты диаграммы состояния бинарного раствора с большим положительным отклонением от закона Рауля (с минимум температуры кипения).

На рисунках 5.2 и 5.3 представлены зависимости давления насыщенного пара от состава жидкости и состава газообразной фазы для систем со значительным положительным и отрицательным отклонениями от закона Рауля. Такие системы подчиняются второму правилу Коновалова, которое гласит, что в экстремальных точках состав жидкой и газообразной фаз одинаков. Такой раствор обычно называют азеотропной смесью. Разделить азеотропную смесь на исходные компоненты путём фракционной перегонки невозможно. Примерами азеотропных смесей являются смеси этанол–вода с содержанием воды 4% (Ткип=78,17°C) и бензол–вода с содержанием воды 8,83% (Ткип=69,25°C); на свойстве перегоняться без изменения содержания воды основано использование бензола (и толуола) в качестве осушающего вещества при его отгонке из смеси, содержащей воду.

Рис5.3. Изотермический (а) и изобарический (б) фрагменты диаграммы состояния бинарного раствора с большим отрицательным отклонением от закона Рауля (с максимумом температуры кипения).

5.1. Лабораторная работа 6.

Построение диаграммы состояния бинарного раствора.

Цель работы: Построение диаграммы состояния бинарного жидкого раствора, компоненты которого неограниченно растворяются друг в друге.

Аппаратура. Для непосредственного измерения показателя преломления используют рефрактометр ИРФ-470.

Принцип действия рефрактометра основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Показатель преломления прозрачных сред определяют в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между двумя гипотенузными гранями АВ измерительной призмы 1 и А1В1 осветительной призмы 3 (рис 5.4).

Рис.5.4. Схема призм рефрактометра.

Лучи света проходят осветительную призму 3, рассеиваясь на выходе матовой гранью А1В1, входят в исследуемую жидкость и попадают на полированную грань АВ. Поскольку на рефрактометре исследуются вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измерительной призмы, то лучи всех направлений, преломившись на границе жидкости и света, войдут в призму 1. При этом коэффициент преломления искомой жидкости определяется следующим выражением:

,

где - показатель преломления измерительной призмы, - угол выхода луча из измерительной призмы, - преломляющий угол измерительной призмы.

При рассмотрении пучка лучей в измерительной части рефрактометра в зрительную трубу верхняя часть поля последней останется темной, а нижняя часть будет освещена. Получаемая граница светотени определяется лучом, выходящим из призмы 1 под предельным углом и с помощью специальной оптической схемы проектируется в зрительный окуляр.

Порядок работы с рефрактометром. Перед началом работы необходимо проверить правильность установки шкалы показателя преломления на начальный отсчет по эталонному образцу. Рефрактометр и источник света устанавливают так, чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы. Затем нужно откинуть осветительную призму и очистить полированное стекло измерительной призмы с помощью спирта–ректификата и резиновой груши. На очищенную таким образом поверхность осторожно, не касаясь призмы, капилляром нанести две-три капли жидкости. Опустить призму и прижать ее специальным крючком. Измерения проводить в проходящем свете. Жидкость должна равномерно распределиться по всей поверхности, но не выступать по краям.

Наблюдая в окуляр за полем зрения, установить резкое по глазу изображение шкалы.

Поворотом кольца устранить окрашенность границы светотени. Добиться наиболее качественного изображения границы светотени изменением положения рефрактометра относительно источника света.

Затем установить на соответствующей шкале табличный показатель преломления эталонной жидкости.

Порядок выполнение работы.

Для построения диаграммы бинарной жидкости необходимо:

Приготовить смеси органических жидкостей по указанию лаборанта.

С помощью рефрактометра измерить показатели преломления смесей и построить график «показатель преломления - состав смесей».

Отогнать из каждой смеси около 1 см3 жидкости, определить показатели преломления отгонов и по графику показатель преломления - состав смеси определить составы отгонов; при этом надо иметь в виду, что составы отгонов соответствуют составу паров, находящихся в равновесии с соответствующими смесями. Температуру кипения смесей определяют лабораторным термометром с точностью до 0,1-0,2oС.

Построить диаграмму «температура кипения - состав смесей».

1.Приготовление смесей

Для построения диаграммы состояния одной из систем, указанных в таблице 6.1, необходимо приготовить в сухих конических колбах с пробками смеси указанных жидкостей различного состава в количестве 10 см3 каждой.

Таблица 5.1. Варианты составов смесей.

Смешиваемые жидкости	Диапазон измерений	Название диапазона
бензол	толуол	1,445-1,51	1,445-1,51	С	С
CCl4	толуол	1,445-1,51	1,445-1,51	С	С
бензол	CHCl3	1,445-1,51	1,445-1,51	С	С
ацетон	вода	1,3-1,38	1,3-1,38	А	А

Смеси готовят, отбирая пипетками несколько см3 одной и другой жидкости и сливая их так, чтобы суммарный объем отобранных жидкостей был равен 10 см3. Составы смесей (в объемных процентах) заносятся в таблицу 2. Объемные проценты содержания компонентов в смесях следует пересчитать в мольные доли, т. к. диаграмма состояния строится обычно в координатной системе «температура кипения - мольная доля».

Для пересчета используются следующие очевидные соотношения:

Здесь - объемный %, - плотность первого компонента (г/см3 ), - молекулярный вес первого компонента, - плотность и молекулярный вес второго компонента.

Таблица 5.2. Составы смесей.

№ колбы
Объемный %								0
Мольная доля

2. Измерение показателей преломления чистых жидкостей и их смесей.

При помощи рефрактометра определяют показатель преломления чистых жидкостей и приготовленных смесей. Проводя измерения показателей преломления, надо следить за тем, чтобы призмы рефрактометра были совершенно чистыми и сухими, без следов жидкости, оставшихся от предыдущих определений. Целесообразно, поэтому, перед нанесением капли жидкости обдуть призму сухим воздухом с помощью сухой груши. Полученные значения показателей преломления используют для построения графика «показатель преломления – объемный %».

3.Отбор отгона.

Для определения температур кипения смесей и отгона пара пользуются прибором ,изображенным на рис.5.5.

Рис.5.5. Прибор для определения температур кипения смесей и отгона пара.