Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая и коллоидная химия (Теория и практика). В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
m
-
3
2
4
1
Рис. 2.1
1
. Установка для
Экспериментальная у
ст
а-
п
m
ж
mm
Oa
=
ж
m
ж
.
=
Ob
Для построения диаграммы состояния «жидкость» - «пар»
(изобары состояния) необходимо определить равновесные составы кипящей жидкости и насыщенного пара при соответствующих
температурах кипения. Данную задачу решают с помощью установки, приведенной на рис. 2.11.
новка (рис. 2.1 1 ) состоит из сосуда 1 для кипячения с термометром 2, обратного холодильника 3,
внутренняя трубка которого соединена через пробку 4 с сосудом
1. Это соединение допускает поворот холодильника в положение, указанное пунктиром. При
этом конденсат вытекает из
трубки. Применение обратного
холодильника и отбор лишь небольшого количества дистиллята
позволяет избежать значительно-
определения температуры
кипения жидкости:
1 – сосуд для кипячения;
2 – термометр;
3 – холодильник; 4 – пробка
го изменения состава жидкости
по сравнению с первоначальным.
Для определения температу-
ры кипения можно использовать
эбуллиометр Свентославского,
его описание приведено в лабораторной работе № 5
(см. рис. 2.6.). Пробу парового конденсата отбирают с помощью
крана 8.
1. В сухих конических колбах с пробками приготовить девять растворов, смешивая компоненты «1» и «2», взятые из
табл. 2.6, по схеме, указанной в табл. 2.7. Объем каждого приготовленного раствора должен составлять 20 см3.
Порядок выполнения работы
91
2. При помощи рефрактометра определить показатель пре-
кип
кип
6
4
3
2
8
V
1
3
V
2
3
ломления nD чистых компонентов и каждого раствора, результаты
записать в табл. 2.8.
Таблица 2.6
Компонент «1» Компонент «2»
Название
Ацетон С3Н6О 56,2 Бензол С6Н
Этанол С2Н5ОН 78,4 Тетрахлорметан ССl
Пропанол-1 С3Н7ОН 97,2 Хлороформ СНСl
Этилацетат С4Н8О
Бутанол-1 С4Н9ОН 117,5
Номер колбы 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Объем
Объем
, см
, см
2 4 6 8 10 12 14 16 18
18 16 14 12 10 8 6 4 2
t
,°С
77,2 Толуол С7Н
Название
t
,°С
80,1
76,8
61,3
110,6
Таблица 2.7
3. Укрепить на штативе с помощью лапки сосуд для кипяче-
ния, налить в него исследуемый раствор, поместить в сосуд кипелки для уменьшения шума кавитации при кипячении химических
растворов и вставить в горлышко сосуда пробку с термометром
так, чтобы шарик термометра был погружен в жидкость. Затем соединить сосуд с холодильником, в рубашку которого подать воду
для охлаждения, и включить электрообогреватель колбы.
4. После закипания исследуемого раствора, когда температура нагреваемой жидкости перестанет меняться, перевести холодильник в наклонное положение (см. рис. 2.11, 3 пунктир), и в
сухую пробирку отобрать 5-8 капель конденсата. Пробирку плотно закрыть пробкой и погрузить в холодную воду во избежание
изменения состава, вызванного испарением.
5. Вернуть холодильник в вертикальное положение и после
минутного кипячения измерить температуру жидкости. Нагревание прекратить, после охлаждения снять сосуд для кипячения,
содержимое вылить в колбу для слива.
6. При помощи рефрактометра определить показатель преломления отобранного конденсата.
7. Аналогичные опыты провести со всеми остальными смесями и чистыми компонентами.
92
Полученные результаты внести в табл. 2.8.
Таблица 2.8
Концентрация
компонента «2»
w, % об.
Жидкость
Пар
Номер
пробы
Показатель
преломления
Жид-
кость
Пар
До отбора
пробы
Температура
кипения, °С
После от-
бора пробы
Сред
няя
Обработка опытных данных
1. Считая, что показатели преломления растворов аддитивно зависят от nD чистых компонентов, построить градуировочный
график nD = f(w). Для построения графика использовать nD чистых компонентов.
2. По градуировочному графику и измеренным показателям
преломления уточнить состав приготовленных жидких растворов.
Результаты внести в табл. 2.8.
3. С помощью градуировочного графика по измеренным
показателям преломления определить состав парового конденсата. Результаты внести в табл. 2.8.
4. Построить диаграмму состояния «жидкость – пар» бинарной смеси в координатах «температура кипения - составы
жидкой и паровой фаз» как показано на рис. 2.10.
Контрольные задания
1. Записать условие равновесия в многофазной многокомпо-
нентной системе (теорема Гиббса).
2. Сформулировать правило фаз Гиббса. Дать определение фазы,
компонента, числа степеней свободы.
3. Сформулировать закон Рауля и объяснить отклонения от него.
4. Записать условие равновесия для двухфазной двухкомпонент-
ной системы и рассчитать число степеней свободы в области
совместного существования паровой и жидкой фаз.
5. Описать методы графического представление равновесия
жидкость – пар (диаграммы Т – х , у; р – х, у).
6. Объяснить правило рычага для определения составов жидкой
и паровой фаз.
7. Сформулировать законы перегонки и ректификации 1-й и 2-й
законы Коновалова.
93
Расчетно-практическая работа № 2.
Построение диаграммы состояния
индивидуального вещества
Для индивидуального вещества известны зависимости
давления насыщенного пара от температуры для равновесий
«твердая фаза - пар» и «жидкость - пар», а также молярная
масса и плотности вещества в жидком и твердом состояниях
(табл. 2.9, Х).
1. По экспериментальным данным о равновесиях жидкость пар и твердая фаза - пар построить графическую зависимость
в координатах lnр = f(1/Т) и описать ее линейным уравнением
вида lnр = a/T +b.
2. Рассчитать среднюю теплоту испарения и возгонки вещества.
3. Определить координаты тройной точки для данного вещества
(Т
, р
тр.т.
).
тр.т.
4. Оценить температуру кипения вещества при нормальном
давлении (Т
н.т.к.
).
5. Определить теплоту плавления вещества при температуре
тройной точки.
6. Вычислить
dT
для процесса плавления при температуре
dp
тройной точки и температуру плавления вещества при давлении р (У, табл. 2.10).
7. Определить число термодинамических степеней свободы при
следующих значениях температур и давлений, указав данные
точки на графике:
а) Т
тр.т.
, р
тр.т.
; б) Т
н.т.к.
, р
= 1,01·105 Па, в) Т
н.т.к.
н.т.к.
, р
тр.т.
94
Твердое состояние Жидкое состояние Молярная масса
тв
ж
Т
р
Т
р
М
М
М
М
М
М
Х
, К
, Па
, К
, Па
(М), г/моль, плотно-
сти (
r
1 2 3 4 5 6
268,2
269,2
270,2
1
271,2
272,2
248,0
254,4
2
258,0
259,0
260,0
55
58
3
59,2
63
64
100
104
4
107
109
110,5
112
229,2
248,0
257,0
5
267,2
273,2
173
178
6
183
184
190
401,2
437,2
475,9
517,2
533,3
7998
13300
17995
19995
23327
1333
3999
11997
14663
17329
4132
8531
14663
19995
25367
29653
133,3
694,5
1333
2966
4786
7330
11600
16795
19995
31192
269,2
272,2
273,2
275,2
278,2
283,2
288,2
260,0
265,0
270,0
278,0
282,0
60,0
64,0
66,0
67,8
69,0
71,0
105
112
114
115
116
117
273,2
282,5
298,2
306,7
312,5
316,5
190
196
200
207
215
221
505
533,2
573
656
760
982
1600
23327
27190
31860
40290
47990
12663
17329
22394
27993
31992
39990
17329
29653
34738
38657
46435
53053
4786
6665
12697
16396
18929
21328
31192
38657
46655
55986
69476
77314
= 18
r
= 918
тв
r
= 1010
ж
= 27
r
= 718
тв
r
= 709
ж
= 28
r
= 1026
тв
r
= 808
ж
= 30
r
= 1272
тв
r
= 1260
ж
= 32
r
= 837
тв
r
= 825
ж
= 34
r
= 1010
тв
r
= 980
ж
Таблица 2.9
,
r
), кг/м
3
95
Продолжение табл. 2.9
М
М
М
М
М
М
1 2 3 4 5 6
10
11
12
196
203
7
213
220
276,6
278,2
279,2
8
280,2
281,4
230
233
237
9
240
243
245
249
1758,2
1788,2
1810,2
1835,2
1873,2
131
135
137
139,2
141,5
144,0
146
242,1
252,4
263,8
271,2
280,9
293,0
101325
190491
402360
648480
1413
1706
1879
2066
2372
26260
31458
39990
49997
58518
66650
86645
22,66
63,98
99,97
115,99
300,00
1333
1999,5
2666
3999
5332
7998
9997,5
1333
2666
5332
7998
13330
26660
212
220
223
239
241
242
277,2
279,2
281,4
283,2
285,2
288,7
236
246
248
249
252,5
253,5
1832
1873,2
1905
1938
1956
1991
137
141
145
146
149
151,4
293
303
308
311
313
316
592751
648480
674824
1005114
1065237
1131722
1826
2082
2372
2626
2932
3279
63315
78647
83979
86645
96942
100508
187
300
387
486
573
800
6665
7331,5
8664,5
9997,5
12663
15996
26660
37724
46188
51720
56186
63317
= 44
r
= 1542
тв
r
= 1510
ж
= 46
r
= 1240
тв
r
= 1290
ж
= 52
r
= 3010
тв
r
= 2955
ж
= 52,5
r
= 6800
тв
r
= 6750
ж
= 68
r
= 1450
тв
r
= 1434
ж
= 58
r
= 822
тв
r
= 812
ж
96
Окончание табл. 2.9
М
М
1 2 3 4 5 6
183,2
188,0
13
14
196,2
199,2
203,7
177,3
180
182
184
185,5
У 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0
Давление,
р∙10-3, Па
333,3
586,5
1850
3000
5305
15996
19995
23994
28659
32992
15 80 50 90 30 45 75 95 35 50
201
203,7
241
216
230,2
180
185,5
188
191
194
4665,5
5305
7198
7998
13328
26660
32992
37057
43456
51987
= 64
r
= 1600
тв
r
= 1560
ж
= 81
r
= 1626
тв
r
= 1610
ж
Таблица 2.10
Задачи по теме «Учение о растворах и гетерогенных системах»
Примеры решения задач
Пример 1. Известно, что при 0оС удельная энтальпия плавле-
ния льда 333,5 Дж/г, удельные объемы жидкой и твердой воды равны Vж = 1,0002 см3/г и Vт = 1,0908 см3/г. Рассчитать изменение давления при изменении температуры плавления льда на 1о.
Решение.
Для расчета изменения давления при изменении температуры фазового перехода используем уравнение КлаузиусаКлапейрона (2.10):
97
Н
пл
,
VT
пл
dpD×D
=
dT
где
VD
– изменение объема вещества при плавлении:
VD
пл
= Vж – Vт =1,0002 – 1, 0908 = –0 ,0906 см3/г = – 9.06·10-8 м3/г.
пл
Примем, что
dpp
,
dTT
D=D
и тогда
=D-p .
5,333
( )
8
1006,915,273
×-×
7
Па/К10348,11
×-=×
Пример 2. Используя справочные данные оценить давление
пара бензола при 25оС.
Решение.
Оценку проводим по уравнению Клаузиуса-Клапейрона
(2.12) для гетерогенного равновесия с участие газовой фазы
ln
Н
p
2
=
p
1
ф.п.
æ
ç
ç
è
ö
11
÷
-
.
÷
TTR
21
ø
D
1. Выписываем из справочника температуру кипения бен-
зола при давлении р1 = 101320 Па, Т1 = 80,1оС = 353,25 К и эн-
Н
тальпию испарения
D
= 31,1 кДж/моль.
исп
(Энтальпию испарения можно также рассчитать по правилу Трутона
кДж/моль.)1,313,35388
исп
=×=D Н
2. Рассчитываем давление пара бензола при 25оС:
ln
101320
p
31100
2
31,8
lnp2= 9,565 и p2= e
1
æ
ç
25,353
è
9,565
=14257 Па.
1
ö
-=
,
÷
15,298
ø
Пример 3. Жидкий раствор гексан-гептан находится в рав-
новесии со своей паровой фазой при 5оС. Рассчитать массовую
долю гексана в паровой фазе при этой температуре, если известно, что массовая доля гексана в жидком растворе 15 %.
Решение.
1. Рассчитываем мольные доли гексана (x1) и гептана (x2)
в жидкости. Молярные массы гексана М1 = 86 г/моль и гептана
М
= 100 г/моль.
2
98
=x
C
t
1
8615
+
=
100858615
,1702,0
x2 = 1 – x1 = 0,8298.
2. Находим давление насыщенного пара каждого компо-
o
нента
p
по уравнению Антуана, отражающее зависимость дав-
i
ления пара чистого вещества от температуры и полученное из
уравнения Клаузиуса-Клапейрона.
lg
o
i
B
Ap
-=
,
+
где А, В, С – константы уравнения Антуана, приведенные в спра-
вочнике, t – температура,оС.
o
6,87776lg
1
-=p
1171,53
224,375
+
o
= 58,9 мм рт.ст.;
p
,
1
o
6,90027lg
2
1266,87
-=p
216,765
+
o
= 15,4 мм рт.ст.
p
,
2
3. Рассчитываем парциальные давления компонентов pi по
закону Рауля (2.14):
o
xpp ×=
,
ii
1
p1 = 58,9 · 0,1702 = 10,02 мм рт. ст. или p1= 1335,67 Па,
p2 = 15,4 · 0,8298 = 12,78 мм рт. ст. или p2 = 1703,57 Па.
4. Рассчитываем мольные доли, массы компонентов в паро-
вой фазе и массовую долю гексана в паровой фазе.
Мольные доли компонентов yi в паровой фазе рассчитываем по формуле
p
i
y
i
,
=
p
где p – общее (суммарное) давление пара p = p1 + p2.
=yyy
1
67,1336
+
=-=
12
=
57,170367,1336
.5605,01
,4395,0
Масса гексана: 0,4395 · 86 = 37,90 г.
Масса гептана: 0,5605 · 100 = 56,05 г.
99
Суммарная масса 37,90 + 56,05 = 93,38 г.
×
Массовая доля гексана:
10037,90=×
%40,38
.
93,85
Пример 4. Коэффициент распределения вещества между
водой и четыреххлористым углеродом равен 0, 01 3 5. Какой объем
(V) четыреххлористого углерода надо взять, чтобы однократным
экстрагированием извлечь из 0,5 дм3 водного раствора 99,9 % содержащегося в нем вещества.
Решение.
Коэффициент распределения вещества между двумя
несмешивающимися фазами определяется по уравнению (2.15):
с
1
k =
,
с
2
где с1 и с2 – равновесные концентрации вещества в воде и в четыреххлористом углероде, они определяются:
q
1
c
1
,
0,5
c
2
q
2
== ,
V
где q1 и q2 – равновесные количества йода в воде и четыреххлористом углероде соответственно.
Vq
1
=
k
0,5
0,0135
,
×
q
2
99,9)(100
×-
V
=
99,90,5
×
,
V = 6,7 дм3.
Пример 5. Вычислить, какую массу глицерина C3H5(OH)
3
нужно растворить в 200 г воды, чтобы раствор замерзал при температуре –5 °С. Криоскопическая постоянная воды 1,86 град.
Решение.
Снижение температуры замерзания рассчитываем по формуле
∆Tз = К· m,
где K – криоскопическая постоянная, m – моляльная концентра-
ция вещества в растворе.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]