7.13. Диаграммы растворения. Правило Алексеева

Зависимость взаимной растворимости жидкостей от температуры принято изображать на диаграммах состояния, называемых диаграммами растворения (или растворимости). Каждая такая диаграмма строится в координатах “температура - состав” при заданном постоянном давлении.

7.13.1. Системы с верхней критической температурой растворения

Типичная диаграмма растворения для таких систем показана на рис. 7.8.

Т_кр

Т₁

Т_кр

Т₃

Т₂

Т₁

y p = const

А a p` m` х n` q` b В

состав, мол. доли

Рис. 7.8. Диаграмма растворения для системы с верхней

критической температурой растворения

Линия akb (линия расслоения) разделяет два фазовых поля: вне кривой поле 1 - поле гомогенных бивариантных систем и внутри кривой поле 2 - поле гетерогенных моновариантных систем, состоящих из двух сопряжённых фаз. Составы сопряжённых растворов можно определить с помощью коннод, а именно по точкам пересечения их с линией расслоения. Так, при температуре Т₁ коннода pq показывает, что сопряжённые растворы имеют составы p` и q`, а при температуре Т₂ - коннода mn отвечает составам m` и n`. Точки p` и m` соответствуют растворам вещества В в веществе А, а точки n` и q` - растворам А в В. Видно, что чем ниже температура, тем больше различие составов сопряжённых фаз. Причём эти составы не зависят от абсолютного содержания компонентов в смеси, а зависят только от температуры.

Нагревание системы отображается перемещением фигуративной точки, отвечающей общему составу системы, вверх. Так, например, для системы с общим составом х - движением по линии ху. Пока фигуративная точка находится ниже кривой расслоения, система гетерогенна и состоит из двух фаз. При температуре Т₁ система распадается на сопряжённые растворы с составами p` и q`, при температуре Т₂ - на растворы с составами m` и n`. По мере повышения температуры составы сопряжённых фаз всё более сближаются друг с другом, и когда фигуративная точка достигает линии расслоения при температуре Т₃, они становятся одинаковыми. При этом система становится гомогенной (происходит гомогенизация), так как выше этой температуры наступает полное смешивание компонентов. Температура Т₃ называется температурой гомогенизации. Выше Т₃ система будет оставаться гомогенной вплоть до температуры, при которой начнётся кипение.

Охлаждение, отображаемое движением фигуративной точки вниз по линии ух, сопровождается обратными явлениями. При достижении температуры Т₃ (теперь её логичнее назвать температурой гетерогенизации) происходит гетерогенизация - разделение гомогенного раствора на две сопряжённые фазы. Дальнейшее охлаждение (вплоть до отвердевания) приводит к перераспределению компонентов между сопряжёнными растворами таким образом, что их составы всё более отличаются друг от друга.

Точка k, находящаяся в максимуме кривой расслоения, отвечает верхней критической температуре растворения Т_кр. Выше этой температуры системы с любым соотношением компонентов А и В находятся в гомогенном состоянии. При температурах, лежащих ниже КТР, состояние системы будет зависеть от её состава. Например, при температуре Т₁ в области концентрации вещества В от 0 до р` система гомогенна. Если к ней добавить какое-то количество В, то фигуративная точка, передвигающаяся при этом по горизонтальной линии - изотерме Т₁  Т₁, попадёт в гетерогенную область диаграммы растворения, что отвечает расслоению системы на два сопряжённых раствора с составами p` и q`, причём подавляющая часть системы находится в виде фазы p. Дальнейшее увеличение содержания компонента В в системе приводит к изменению массы каждой из сопряжённых фаз - масса фазы p` уменьшается, а масса фазы q` увеличивается. Составы же обеих фаз остаются неизменными при данной температуре. Когда содержание компонента В в общем составе системы превысит q`, фаза p` исчезает, фигуративная точка выходит в гомогенную область и вновь наступает полная смешиваемость компонентов.

Составы сопряжённых растворов и критическая температура растворения находятся между собой в определённой зависимости, которая описывается правилом В.Ф.Алексеева (1876):

Середины коннод, соответствующих различным температурам, лежат на одной прямой, идущей от критической точки.

С учётом того, что середина конноды отвечает среднему арифметическому из состава сопряжённых растворов, правило Алексеева может быть сформулировано и так:

Среднее арифметическое из состава равновесных жидких фаз является линейной функцией температуры; точка пересечения этой линии с кривой расслоения отвечает критической температуре растворения.

Если кривая расслоения в области критической температуры растворения не имеет чётко выраженного максимума, КТР может быть определена с помощью правила Алексеева, как показано на рис. 7.9.

Как уже говорилось, конноды pq, mn и rs, являющиеся отрезками изотерм соответственно при Т₁, Т₂ и Т₃, позволяют определить составы сопряжённых растворов, находящихся в равновесии при этих температурах: это соответственно p` и q`, m` и n`, r` и s`. Точки a, b и с, являющиеся геометрическими серединами коннод, отражают среднее арифметическое из составов сопряжённых растворов. Как видно, они лежат на прямой линии lk, которая пересекает кривую расслоения в точке максимума, соответствующей КТР.