Дист лекции Кудряшов / Растворы3

На рис. представлена P-x диаграмма для идеального раствора. Вернее сказать проекция P-x фазовой диаграммы, снятой при постоянной температуре. На ней представлены зависимости общего давления пара от состава жидкости (1) и от состава пара (2). Поскольку более летучим компонентом является компонент 2, то за исключением точек пересечения этих кривых, все точки кривой пара смещены вправо от кривой жидкости.

Линии жидкости и пара делят все поле диаграммы на три области. Выше кривой жидкости находится область условий (давлений и составов), при которых существует жидкий раствор, ниже линии пара – область условий, при которых существует, только пар. Между этими линиями находится область существования жидкости и равновесного с ней пара. точка b лежит правее точки a. Изобары проведенные между линиями жидкости и пара называются коннодами (ab, cd) – линиями, соединяющими составы фаз, находящихся в равновесии: Точка a(c) – состав жидкости, находящейся в равновесии с паром, имеющей состав b(d). Любая точка на диаграмме называется фигуративной. Она полностью характеризует состояние системы. Так точка m соответствует жидкому однофазному раствору состава xm. При уменьшении давления эта точка будет перемещаться вниз. В точке a жидкость начнет испаряться, появится первый пузырек пара состава xb. Система станет двухфазной. При последующем уменьшении давления фигуративная точка m, показывающая валовый состав гетерогенной системы, будет опускаться вниз. При этом количество паровой фазы будет увеличиваться, количество жидкой фазы уменьшаться. Происходить это будет по правилу рычага, которое мы рассмотрим несколько позже. Когда давление опустится до точки d , то почти вся жидкость перейдет в пар. Последняя капля жидкости имеет состав xс, а состав пара будет соответствовать первоначальному составу жидкости xm.

Рассмотренный процесс называется изотермической перегонкой. Однако удобнее проводить перегонку при постоянном давлении, например при одной атмосфере. Для этого используют проекцию Т-x фазовой диаграммы. При переход от P-x проекции к Т-x проекции необходимо учесть, что, более легко летучий компонент 2 имеет более низкую температуру кипения. А так как температура кипения нелинейно зависит от давления насыщенного пара, то кривая жидкости (1) в координатах Т-x не будет прямой линией, и диаграмма будет иметь форму двояковыпуклой линзы.

Т20

f1 = K – Ф + 1 – q =2-1+1-0=2 f2 = K – Ф + 1 – q =2-2+1-0=1 f3 = K – Ф + 1 – q =1-2+1-0=0 f4 = K – Ф + 1 – q =2-1+1-0=2 fАз = K – Ф + 1 – q =2-2+1-1=0

Изображение процессов нагревания и охлаждения на Т-x диаграмме.

Если пар состава х (точка l) охлаждать, то, не меняя своего состава, он охладится до температуры, соответствующей точке пресечения пунктирной линии с кривой конденсации. Противоположное окончание конноды (изотермы), проходящей через эту точку будет показывать состав первой капли жидкости, сконденсировавшейся из пара. Состав пара будет меняться по линии конденсации (2), а состав жидкости по линии испарения (1). При этом количество пара будет уменьшаться, количество жидкости увеличиваться. Состав последнего пузырька будет соответствовать составу хп, а состав жидкости стане равным первоначальному составу пара в точке l.

Если нагревать жидкость состава точки k, то повернув стрелки в обратном направлении, получим, что жидкость будет нагреваться, не меняя своего состава до пересечения с линией испарения (1). Здесь образуется

первый пузырек пара, состав которого по мере повышения температуры будет менять свой состав по линии конденсации (1) от хп до первоначального состава жидкости точки k. Жидкость будет менять свой состав по линии испарения. Количество жидкости будет уменьшаться, и состав последней капли жидкости будет соответствовать составу хж. Этот состав будет находиться в равновесии с составом, отвечающим точке k.

Правило рычага.

Это правило позволяет определить количество пара и жидкости в гетерогенных смесях.

Пусть в системе содержится M молей смеси. I – молей пара. M-I – молей жидкости. Составим материальный баланс по компоненту 2. Этот компонент будет распределяться между жидкостью и паром.

M х0= хп+( M-I) хж

Раскрывая скобки, найдем:

;

Диаграммы состав раствора - состав пара.

Обычно диаграмма состав раствора – состав пара строится по легколетучему компоненту.

Практическое применение равновесий между жидкостью и паром.

Перегонка и ректификация

На практике используют различие в составах раствора и равновесного с ним пара. Обычно разделение проводят при постоянном давлении.

Простая перегонка

В лаборатории обычно проводится в колбах Вюрца. Суть метода заключается в постепенном испарении жидкости с непрерывным отводом и конденсацией образующихся паров. Постепенно в колбе остается только высококипящий компонент. Получить чистый легколетучий компонент при простой перегонке не удается. Высококипящего вещества в чистом виде также получается очень мало. Целесообразно простую перегонку применять при очень большой разнице в составах жидкости и пара.

Более эффективным методом является фракционная перегонка. Этот процесс заключается в многократном повторении процессов испарения и конденсации. В результате можно получить практически чистые более легколетучий и менее легколетучий компоненты.

В промышленности и в лаборатории используют ректификацию. Это сложный неравновесный процесс, в ходе которого происходит непрерывный обмен веществом между находящимися в контакте паром и жидкостью. Этот процесс проводят в ректификационных колоннах. В этих колоннах пар от кипящего раствора поднимается вверх и встречает на своем пути стекающую жидкость, образующуюся при конденсации пара. Эта жидкость называется флегмой (слизь).