Физическая химия в дорожном материаловедении. Лабораторный практикум для студентов направления подготовки 08.03.01 «Строительство» профиль «Производст

Следовательно, в процессе нагревания из «фенольной» фазы в «водную» будут переходит фенол и вода в таких соотношениях, при которых соответствующие растворы будут оставаться насыщенными при каждой температуре.

При достижении температуры Т1 «фенольная» фаза исчезает, и система превратится в однофазную – насыщенный раствор фенола в воде начального состава Х1.

Начинает с этого момента система дивариантна (К=2, Ф=1, таким образом С=2+1-1=2), поэтому с возрастанием температуры состав уже перестает быть функцией температуры, разумеется, только в интервале концентрации,

лежащих не в области расслоения.

При нагревании выше температуры Тк (критическая температура растворения) смеси любого состава будут гомогенными.

Описание работы

Целью работы является построение диаграммы взаимной растворимости в системе фенол – вода и определение критической температуры растворения.

Работа выполняется способом, предоставленным Алексеевым.

В запаянных стеклянных ампулах изготовлена серия смесей фенола с водой разных концентраций, значения которых указанны. При комнатной температуре смеси гетерогенны и состоят из двух насыщенных растворов – раствор воды в феноле (нижний слой) и раствор фенола в воде (верхний слой).

При взбалтывании содержимое ампул становиться не прозрачным вследствие образования эмульсии.

При нагревании до температуры гомогенизации система превращается в однофазную систему и раствор в ампуле становиться прозрачным. Если ампулу после этого охоладить, то при достижении температуры гетерогенизации,

вновь появляется вторая фаза и содержимое ампулы мутнеет.

21

Эксперимент может сводиться как к определению для каждой смеси температуры гомогенизации путем медленного нагревания, так и к определению температуры гетерогенизации путем последующего охлаждения.

Поместив в стакан с водой ампулы с изготовленными смесями, ставят стакан на электрическую плитку, включают ее и, подогревают смеси, фиксируя температуру, при которой содержимое становиться прозрачным (температуру гомогенизации), потом снимают стакан с плитки и определяют температуру помутнения смеси (температуру гетерогенизации).

Поскольку температура воды в стакане при нагревании системы будет несколько выше, а при охлаждении – несколько ниже температуры внутри ампулы, то температура, которую покажет термометр во время гомогенизации смеси, будет выше той, которую покажет термометр во время гетерогенизации системы.

Расхождение между указанными температурами не должно превышать

1ºС, иначе опыт нужно повторить.

Результаты опытов вносят в таблицу 2.1 и строят кривую растворимости.

Таблица 2.1–Результаты взаимной растворимости в системе фенол – вода

СДЕЛАЙТЕ ВЫВОД!

22

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:

Смесь фенола с водой массой «а» грамм, содержащая «б» масс. %фенола (таблица 2.2) нагрели до 80оС (Т1). В каком состоянии (гомогенном или гетерогенном) находится смесь? Сколько степеней свободы имеет система?

Затем смесь охладили до температуры Т2. В каком состоянии (гомогенном или гетерогенном) находится смесь при температуре Т2?

Определить при температере Т2:

1.Состав водной и фенольной фракций

2.Массу образовавшейся водной и фенольной фракций Таблица 2.2 -Данные для защиты лабораторной работы № 2

23

Лабораторная работа №3

ПОЛУЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ТРЕХ КОМПОНЕНТОВ С ОГРАНИЧЕННОЙ РАСТВОРИМОСТЬЮ ВЕЩЕСТВ ДРУГ В ДРУГЕ

Цель работы: на основании экспериментальных данных построить диаграмму состояния трехкоппонентной системы и определить число степеней свободы в определенных точках фазовых полей.

Теоретическая часть [3]

Компоненты – химически однородные вещества, составляющие сложную систему. Они могут быть выделены из системы и существовать в изолированном виде в течении длительного срока.

Например, раствор поваренной соли NaCl содержит H 2O , Na , Cl и

NaCl .

Однако, ионы натрия и ионы хлора не могут считаться компонентами, так как изолированно от раствора они существовать не могут.

В реальных условиях изучаемая система может состоять из одного, двух,

трех и более компонентов.

Число степеней свободы – это число условий ( T , P,C ), которые можно в известных пределах произвольно изменять, не изменяя тем самым числа или вида фаз системы.

По числу степеней свободы системы подразделяют на инвариантные,

безвариантные, нонвариантные (С=0), одновариантные (С=1),двухвариантные

(С=2) и т.д.

Зависимость между числом степени свободы (С), число компонентов (К)

ичислом фаз (Ф) выражается уравнением Гиббса, называемым правилом фаз:

С=К-Ф+2 – если учитываем, что из внешних условий влияют и давление

итемпература;

24

С=К-Ф+1 – если из внешних условий влияет температура ( P const ) или давление ( T const ). Обычно этот вид правило фаз имеет для конденсированных систем.

Правило фаз позволяет теоретически определить состояние системы в равновесии, рассчитать то предельное число фаз, при котором эта система может находиться в равновесии, а также устанавливает наименьшее число параметров, необходимых для описания любого состояния системы.

Для системы, состоящей из трех компонентов, состав определяется треугольной диаграммой, которая представляет собой равносторонний треугольник. Вершины треугольника соответствуют чистым веществам А, В,

С. Точки на сторонах треугольника определяют состав пар веществ А-В, А-С,

В-С. Каждая внутренняя точка треугольника соответствует составу трехкомпонентной системы А-В-С.

Координатную сетку наносят линиями, параллельными к сторонам треугольника, через равные интервалы и с определенным масштабом.

Определение состава трехкомпонентной системе у точки К для треугольной диаграммы проводят или по методу Гиббса, опуская перпендикуляры из точки К на стороны треугольника, или по методу Розебома,

проводя через точку К линии, параллельные сторонам треугольника до пересечения с соответствующими сторонами треугольника (рисунок 3.1)

Описание работы

Для построения диаграммы взаимной растворимости в трехкомпонентной системе к любой бинарной смеси приливают из бюретки по каплям третий компонент до момента помутнения (образование другой фазы).

Если известен состав исходной смеси и количество добавленного третьего компонента, вычисляют состав тройной смеси к началу расслоения.

Предварительно готовят раствор спирта в CCl4 в определенных соотношениях (таблица 3.1).

25

Таблица 3.1 - Состав бинарных смесей

К 10 мл каждого из приготовленных растворов при интенсивном перемешивании по каплям добавляют из бюретки воду до мутного состояния смеси. Опыт повторяют и в расчетах учитывают среднее значение. Результат записывают в таблицу 3.1. Состав системы, соответствующий началу расслоения, рассчитываем по формулам:

ni = ai • i • Ci (3.1) 100 • Mi

где ni – количество молей компонентов в бинарных растворах, моль; ai – объем бинарного раствора взятого для опыта, мл;

i- плотность раствора, г/см3;

Ci - концентрацияi –го компонента, % масс;

Mi – молекулярная масса i –го компонента, г/моль; n - количество молей воды, моль;

α(Н2О)- объем воды, используемый в эксперименте, мл.

Мольные доли компонентов Ni рассчитываются по формуле (3.3):

Результаты расчетов вносим в таблицу 3.2.

26

Таблица 3.2 - Состав исследуемых трехкомпонентных систем

Эти точки наносят на треугольную диаграмму и соединят плавной кривой, которая разграничивает гомогенную и гетерогенную области.

Для найденной диаграммы состояния трехкомпонентной системы

C2H5OH – CCl4 – H2O (рисунок 3.1), укажите температуру и давление во время эксперимента.

Рисунок 3.1 - Трехкомпонентная треугольная диаграмма (метод Гиббса)

СДЕЛАЙТЕ ВЫВОД!

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:

Задание I. На полученной вами диаграмме нанесите по три точки (отметьте точками 1, 2, 3), укажите состав трехкомпонентных систем в этих точках.

Ответьте на следующие вопросы:

1.Гомогенная или гетерогенная система соответствует каждой из данных точек?

2.Сколько степеней свободы соответствует каждой точке?

3.Используя правило рычага, укажите соотношение фаз.

Задание II. По известному составу трехкомпонентной системы (таблица 3.3)

нанесите на фазовое поле соответствующую точку, определите число степеней свободы для системы в данной точке.

Таблица 3.3 - Данные для защиты лабораторной работы №3

Лабораторная работа №4

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ И КОНСТАНТЫ ДИССОЦИАЦИИ СЛАБОГО

ЭЛЕКТРОЛИТА

Целью работы является определение зависимости удельной и эквивалентной электропроводности от концентрации разбавленных растворов уксусной кислоты и расчет степени и константы диссоциации слабого электролита.

1.Принцип метода

Уксусная кислота, как слабый электролит, диссоциирует по схеме:

Если С – исходная концентрация, - степень диссоциации, тогда:

[H+]р= [CH3COO-]р= С• ,

[AB]р = С(1- );

Константа диссоциации рассчитывается по уравнению:

где – эквивалентная электропроводность при концентрации Сн;

– эквивалентная электропроводность при бесконечном разведении.

29

Эквивалентная электропроводность ( ) - это величина

электропроводности, измеренная между двумя электродами такой площади,

чтобы между ними помещалось количество раствора, содержащее 1 эквивалент этого раствора, при расстоянии между электродами в 1см.

где - удельная электропроводность.

Удельная электропроводность - величина, обратная электрическому

Отношение ℓ/S (S- площадь электродов, ℓ – расстояние между ними) для каждого прибора появляется величиной постоянной, которая носит название

где R – сопротивление раствора, определяемое экспериментально.

Удельная электропроводность ( ) сначала возрастает с разведением в результате увеличения степени диссоциации ( ), что приводит к увеличению числа частиц. Пройдя через максимум, уменьшается, так как число ионов в единица объема убывает. Эквивалентная электропроводность( ), наоборот,

монотонно увеличивается с разведением, вследствие увеличения числа ионов и достигает предельного значения при полной диссоциации.

30