Содержание отчета по лабораторной работе

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Ход эксперимента.

4. Экспериментальные данные (см. протокол к лабораторной работе).

5. Обработка экспериментальных данных.

6. Вывод.

Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах Краткие теоретические сведения

Свойства двухкомпонентных систем определяются тремя независимыми переменными: давлением Р, температурой Т (внешние переменные), а также составом системы при условии его выражения в долях или процентах (по массе или мольных). Основное уравнение, описывающее гетерогенные фазовые равновесия – уравнение правила фаз Гиббса – записывается в следующем виде:

S = K – F + 2,

где S – число степеней свободы системы, т.е. число параметров состояния, которые можно изменять в определенных пределах без изменения фазового состава системы; K – число компонентов системы, т.е. минимальное число составляющих веществ, необходимое для ее полного описания; F – количество фаз системы.

Процессы, протекающие в двухкомпонентных системах, взаимное влияние температуры и состава на фазовые равновесия и др. принято отображать в виде диаграмм состояния. Наиболее распространены диаграммы состояния, характеризующие зависимость между исходным составом систем и температурой фазовых превращений, протекающих в этих системах.

Одним из простейших частных случаев диаграмм состояния является изображение системы с полной растворимостью компонентов в обеих равновесных фазах. Следует отметить, что внешний вид и общие принципы чтения таких диаграмм состояния одинаковы как для конденсированных, так и для неконденсированных систем. При анализе диаграмм на них надо, прежде всего, выделить гомогенные области, т.е. зоны существования непрерывных фаз: твердых, жидких или газообразных растворов. Выше верхней линии (для равновесий «твердое тело – жидкость» она называется ликвидус), выражающей зависимость состава высокотемпературной фазы от температуры равновесия, расположена более высокотемпературная фаза. Для равновесий «жидкость – пар» – это пар, а для равновесий «твердое тело – жидкость» – жидкость.

Ниже нижней линии (для равновесий «твердое тело – жидкость» она называется солидус), выражающей зависимость состава низкотемпературной фазы от температуры равновесия, расположена более низкотемпературная фаза. Для равновесий «жидкость – пар» – это жидкость, а для равновесий «твердое тело – жидкость» – твердая фаза.

Рис. 6. Изобарическая диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью веществ.

По правилу рычага, количество находящихся в равновесии фаз пропорционально длине отрезков ноды, противолежащих фигуративным точкам этих фаз. При этом длина всей ноды пропорциональна общей массе фаз. Например, в точке О относительное количество высокотемпературной фазы равно отношению длины отрезка ОС к длине ноды WC. Количество низкотемпературной фазы равно отношению длин отрезков WO и WC. При использовании правила рычага следует обратить внимание на способ выражения состава двухкомпонентной системы. Если состав выражен в долях или процентах по массе, то в тех же единицах определяется по правилу рычага и относительное количество фаз. В том случае, когда для выражения состава системы применены мольные доли или проценты, относительное количество находящихся в равновесии фаз будет выражено также в мольных долях или процентах.

На рис. 7 показаны экстремальные точки М, в которых смеси кипят (или плавятся) как индивидуальное вещество, т.е. при кипении или плавлении состав системы остается постоянным. Для неконденсированных систем такой состав называется азеотропным. Азеотропную смесь невозможно разделить на индивидуальные компоненты методом простой перегонки. Смеси, составы которых находятся слева от точки М, могут быть в принципе разделены на компонент А и азеотропную смесь. Если состав исходной смеси находится левее точки М, то такую смесь можно разделить на компонент В и азеотропную смесь. Сказанное справедливо и для конденсированных систем. Полностью компоненты А и В методом дробной кристаллизации разделить также не возможно.

Рис. 7. Изобарическая диаграмма состояния двухкомпонентной системы с неограниченной растворимостью компонентов и экстремальными точками.

При перегонке бинарной смеси парциальные давления компонентов р_А и р_В обоих компонентов в паровой фазе определяются законом Рауля (в приближении, что пары подчиняются законам идеальных газов)

и ,

где и – давление насыщенного пара чистого компонента; х_А и х_В – мольная доля компонента А и В в жидкой фазе.

Поскольку в бинарной системе х_В = 1 – х_А, отношение парциальных давлений в паровой фазе определяется уравнением

.

Парциальное давление компонента в газовой фазе p_i кроме того связано с общим давлением пара Р_Σ через мольные доли обоих компонентов в паровой фазе у_i:

и .

Тогда

.

Если компонент А более летуч, чем компонент В, то индекс при обозначении мольной доли его в жидкой и газовой фазе можно опустить:

,

где – относительная летучесть.

Последнее уравнение представляет зависимость между относительными концентрациями легкокипящего компонента в парах и в жидкости. Пар и жидкость различны по составу только тогда, когда α > 1. И лишь в этом случае возможно разделение компонентов при перегонке. Обогащение паров легко летучим компонентом тем больше, чем больше α, т.е. чем больше различаются давления насыщенных паров чистых компонентов.

Если разделяемые соединения отличаются по своей летучести незначительно, то их невозможно удовлетворительно разделить методом простой перегонки. В таких случаях процесс испарения и конденсации следует повторять многократно, т.е. применять методы ректификации или фракционированной перегонки. При выборе метода разделения можно руководствоваться следующим эмпирическим правилом: ректификационная перегонка должна применяться в тех случаях, когда температуры кипения разделяемых соединений отличаются менее чем на 80°С.