5.8. Взаимная растворимость жидкостей
По взаимной растворимости жидкости условно делят на 3 группы:
1) взаимно не растворимые (например, ртуть и вода);
2) неограниченно растворимые (например, вода и ацетон);
3) ограниченно растворимые (например, вода и анилин).
Рассмотрим системы с ограниченной взаимной растворимостью компонентов.
В
заимная
растворимость компонентов зависит от
температуры. Эта зависимость на диаграмме
состояния изображается в виде кривой
расслоения (рис. 5. 10).
Рис. 5.10. Диаграмма состояния системы вода – анилин
Область ограниченной растворимости компонентов находится на рис. 5.10 под кривой расслоения АВС. В любой точке под кривой система гетерогенна и состоит из двух сопряженных растворов: раствор анилина в воде и раствор воды в анилине. Составы сопряженных фаз находят по кривой расслоения: кривая. АВ характеризует состав водного слоя в зависимости от температуры, а кривая ВС – анилинового.
С ростом температуры взаимная растворимость компонентов растет, и при температуре, соответствующей точке В (критическая точка), составы слоёв становятся одинаковы и они сливаются, образуя однофазную двухкомпонентную систему, состав которой характеризует проекция точки В на ось абсцисс. За пределами заштрихованной области расслоения система гомогенна, то есть представляет собой либо раствор анилина в воде, либо раствор воды в анилине, в зависимости от того, какой из компонентов преобладает в составе раствора (это растворитель), а какой находится в виде растворенного в нём вещества.
Составы сопряженных слоёв и их относительные количества можно найти по правилу рычага. Допустим, взято 5 кг смеси. Обозначим массу слоя «n» за х, тогда масса слоя «l» будет равна 5-х. По правилу рычага, х/(5-х) = Мl/Мn. Допустим, отношение отрезков составляет 0,8. Тогда х=(5-х)0,8 , откуда х=2,2 кг. Определив по диаграмме относительные содержания компонентов в каждом слое, (проекции точек n и l на ось состава), можно найти количество каждого компонента в анилиновом и водном слоях.
Существуют системы с нижней критической точкой расслоения, например, система вода – триэтиламин (кривая, ограничивающая область расслоения, проходит в этом случае через минимум), а также с двумя критическими точками: верхней и нижней (например, вода – никотин).
Существование верхней и или нижней критических температур расслоения находится в соответствии с принципом смещения равновесия Ле Шателье – Брауна. Если процесс взаимного растворения двух жидкостей сопровождается поглощением теплоты, то нагревание будет увеличивать взаимную растворимость. В этом случае будет существовать верхняя критическая точка. В экзотермическом процессе растворения картина будет противоположная: если процесс взаимного смешения жидкостей сопровождается выделением тепла, то понижение температуры будет повышать взаимную растворимость, и на кривой расслоения будет наблюдаться минимум. Существование двух критических точек расслоения говорит о том, что с изменением температуры происходит смена знака теплоты растворения.
Большое значение имеют вопросы взаимной растворимости жидкостей в образовании металлургических сплавов. Существуют металлы, взаимная растворимость которых в расплавленном состоянии очень мала. Например, практически не растворимы друг в друге расплавленные железо и свинец. При температуре выше 15270 ±50 они будут существовать в виде двух жидких слоев. При понижении температуры система будет представлять собой сначала твердое железо и расплавленный свинец, а затем, при температуре ниже 3270, когда будет достигнута температура кристаллизации свинца, образуется 2 слоя твердых фаз, состоящих из практически чистых металлов. Растворимость Fe в Pb в твердом состоянии равна 2·10-4 вес.%.
Явления расслаивания очень важны в геологии. Они проявляются, например, при образовании магматических пород. В основных и ультраосновных магмах при высоких концентрациях серы, меди, никеля и железа явления расслаивания вызывают кристаллизацию пирротина FeS, пентландита (Fe, Ni)9S8, пирита FeS2, халькопирита CuFeS2 и других минералов из сульфидного расплава. Это приводит, например, к формированию крупных медно – никелевых месторождений (Норильск, Талнах).