Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фазовое равновесие «жидкость – пар». Учебно-методическое пособие
.pdf
1.9. Разделение жидких смесей. Перегонка
Рис. 1.11. Схема лабораторной установки
для перегонки
Рис. 1.12. Схема установки
для циркуляционного метода
дистилляции
Законы Коновалова лежат в основе процессов разделения жидких
смесей. Разделение происходит в процессе перегонки (дистилляции,
от distillatio – стекание каплями). Это процесс испарения жидкости
с последующим охлаждением и конденсацией образующегося пара.
Устройство для перегонки может быть довольно сложным, но основными его частями являются обогреваемая емкость (куб) для перегоняемой жидкости, холодильник, в котором конденсируются пары и
приемник (сборник) конденсата (рис. 1.11, 1.12).
Целевым продуктом перегонки может быть, в зависимости от состава системы и целей процесса, дистиллят или кубовый остаток (или
и то, и другое).
Простая (однократная) перегонка применяется в тех случаях, когда необходимо отделить целевой продукт от малолетучих или практически нелетучих примесей (например, воду от растворенных в ней
солей при получении дистиллированной воды). Существует эмпирическое правило: однократная перегонка может применяться, если разница в температурах кипения разделяемых соединений больше 80 °С.
Если же различия компонентов разделяемой смеси по летучести
не столь велики, то при однократном испарении и конденсации их невозможно удовлетворительно разделить. В таких случаях перегонку
21
(испарение и последующую конденсацию) повторяют многократно
(ректификация, дробная, ступенчатая или фракционная перегонка).
В случае, если на фазовой диаграмме нет экстремумов (система
без азеотропных точек), можно разделить смесь на чистые компоненты (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Схема ступенчатой перегонки
Смесь состава Х1, закипая, дает возможность получить пар состава Х2, который, в соответствии с первым законом Коновалова, обогащен более низкокипящим компонентом А.
Если сконденсировать этот пар и подвергнуть перегонке получившийся конденсат состава Х2 (то есть произвести вторичную перегонку), то можно получить пар состава Х3 и так далее. Состав и температура кипения последней фракции будут уже довольно близки к чистому компоненту A. При этом, поскольку в каждом цикле перегонки
из исходной жидкости удаляется часть компонента А, она обогащается
компонентом В.
В пределе в кубовом остатке можно получить практически чистый высококипящий компонент В.
Чем сильнее различаются по составу равновесные жидкость и
пар, тем проще происходит разделение.
Количество ступеней перегонки (циклов испарение – конденсация), которые необходимы для полного разделения компонентов раствора зависит от природы компонентов смеси и может быть рассчитано с помощью фазовой диаграммы.
22
Системы, имеющие азеотропную точку, нельзя разделить путем
23
перегонки на два чистых компонента; можно выделить в чистом виде
только один компонент – тот, которого в исходной смеси больше (по
сравнению с азеотропом).
Саму азеотропную смесь разделить перегонкой нельзя. Для разделения азеотропов используют изменение давления или добавление
третьего компонента.
Для разделения высококипящих жидкостей, особенно в случае,
если они склонны к разложению или какому-либо другому химическому превращению при высоких температурах используют перегонку
при пониженном давлении.
Для очистки и разделения тех жидкостей, которые совсем или
почти совсем не смешиваются с водой и не взаимодействуют с ней
химически, используют перегонку с водяным паром.
23
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Правила техники безопасности
1. Прежде, чем приступить к лабораторной работе, необходимо
изучить методику ее проведения, получить инструктаж по технике
безопасности по выполнению работы.
2. Хождение по лаборатории, не связанное с проведением эксперимента, запрещается.
3. Запрещается нагревание горючих и легковоспламеняющихся
жидкостей (ацетон и др.) на электроплитках с открытой спиралью,
необходимо соблюдать максимальную осторожность и пользоваться
нагревательными приборами закрытого типа.
4. Для предотвращения перегрева и бурного вскипания жидкости
во время перегонки при атмосферном давлении в холодную жидкость
следует внести «кипятильники»: несколько кусочков кирпича или пористого фарфора.
5. Перед началом работы необходимо открыть водопроводный
кран и пустить воду в холодильник, и только убедившись в токе воды,
можно включать нагревание.
6. Следует осторожно обращаться с приборами. Следить за герметичностью соединений лабораторной установки и нормальной работой холодильника. Не оставлять прибор без внимания даже на короткое время! В случае неисправностей в работе установки немедленно сообщить преподавателю или лаборанту, не пытаться самостоятельно их устранить.
7. Не перегонять растворы досуха!
8. Остатки органических жидкостей сливать в специальные емкости для слива.
9. Не допускать размещения под тягой посторонних предметов, в
особенности нагревательных приборов или склянок с органическими
легковоспламеняющимися жидкостями.
10. При возгорании легковоспламеняющихся жидкостей быстро
отключить нагревательные приборы, засыпать песком или накрыть асбестовым полотном.
11. При попадании органической жидкости на кожу или глаза
смыть большим количеством воды.
12. После работы следует привести в порядок рабочее место и
сдать его лаборанту.
24
2.2. Лабораторная работа
Изучение равновесия «жидкость – пар»
в двухкомпонентных жидких системах
Цель работы: освоить методику перегонки бинарных смесей
жидкостей, неограниченно растворимых друг в друге: четыреххлористый углерод (ССl4) – ацетон ((CH3)2CO) или уксусная кислота
(CH3COOH) – вода (H2O); построить диаграмму фазового равновесия
«температура кипения – состав» на основе экспериментального определения состава равновесных жидкой и паровой фаз.
Задачи:
1. Определить температуры кипения двух неограниченно смеши-
вающихся жидкостей и их смесей различного состава.
2. Определить показатели преломления чистых веществ, исход-
ных растворов и проб конденсата.
3. Построить калибровочный график зависимости показателя
преломления от состава раствора и с его помощью определить состав
проб конденсата.
4. По полученным данным построить диаграмму кипения исследуемой системы в координатах «температура кипения – состав жидкости и равновесного пара». Сделать вывод о наличии или отсутствии
отклонений от закона Рауля для изученной системы.
5. Провести полный анализ диаграммы: определить смысл всех
полей, линий, точек, объяснить характер полученных зависимостей.
Проанализировать диаграмму по правилу фаз Гиббса.
Приборы и реактивы:
Определение температур кипения и отбор проб конденсата осу-
ществляется с использованием прибора Свентославского (рис. 2.1).
Измерение показателя преломления проводят на лабораторном
рефрактометре ИРФ-454 Б2М, общий вид которого представлен на
рис. 2.2.
В качестве бинарных смесей используют системы: четыреххлористый углерод (CCl4) – ацетон (CH3)2CO или уксусная кислота
(CH3COOH) – вода (Н2О), обладающие неограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии.
Состав смесей выражают в объемных процентах и указывают на
флаконах.
25
Рис. 2.1. Прибор Свентославского: 1– термометр,
2 – перегонный куб; 3 – двухходовой кран для слива конденсата;
4–обратный холодильник
Рис. 2.2. Внешний вид рефрактометра ИРФ-454 Б2М:
1 – маховик для измерения показателя преломления; 2 – заглушка,
закрывающая регулировочный винт; 3 – окуляр; 4 – маховик
с нониусом для измерения средней дисперсии; 5 – штуцеры
для подключения преломляющей призмы к водяному термостату;
6 – зеркало для освещения преломляющей призмы;
7 – преломляющая призма; 8 – осветительная призма;
9 – защелка для закрепления осветительной и преломляющей призм;
10 – термометр
26
Инструкция по работе с рефрактометром ИРФ – 454 Б2М.
Внимание! Категорически не допускается измерение показателей
преломления кислот и щелочей во избежание повреждения призм.
1. Включить в сеть переменного тока (220 В) блок питания ре-
фрактометра.
2. На задней стенке рефрактометра установлен рефрактометрический блок, состоящий из двух призм. Необходимо поднять заслонку
и открыть окно верхней осветительной призмы. Одновременно нужно
закрыть откидным зеркалом окно нижней измерительной призмы.
3. Осветитель с помощью закрепляющего винта установить так,
чтобы свет падал на входное окно осветительной призмы.
4. Отжать застежку и откинуть верхнюю осветительную призму.
Осторожно не касаясь поверхности нанести пипеткой измеряемую
жидкость на чистую сухую нижнюю измерительную призму, так, чтобы вся поверхность была покрыта полностью. Опустить верхнюю
призму и прижать застежкой.
5. В окуляр наблюдают одновременно положение границы раздела света и тени относительно неподвижного перекрестия и изображение измерительной шкалы.
6. Поворачивая окуляр нужно настроить резкость перекрестия и
цифр шкалы.
7. Поворотом зеркала с левой стороны рефрактометра добиться
наилучшей освещенности измерительной шкалы.
8. Вращением нижнего маховика с правой стороны рефрактометра найти границу раздела света и тени и ввести ее в поле зрения
окуляра.
9. Вращением верхнего маховика с правой стороны рефрактометра устранить окрашенность границы раздела света и тени до резкой черно-белой.
10. Вращением нижнего маховика совместить границу света и
тени точно с центром перекрестия и снять отсчет.
11. Отсчет снимается по верхней измерительной шкале показателей преломления. Цена деления шкалы – 5·10−4. Целые, десятые, сотые и тысячные доли отсчитываются по шкале, десятитысячные доли
оцениваются на глаз.
12. Поверхности призм между замерами и по окончании работы,
осторожно и аккуратно протереть сухой фильтровальной бумагой до
полного удаления жидкости.
27
Порядок выполнения работы
1. Перегонный куб (рис. 2.1) через шлиф заполните на 2/3 его
объема исследуемой жидкостью. Во избежание бурного кипения и переброса жидкости опустите в перегонный куб 2–3 кипятильных камешка (кусочки кирпича или фарфора), обычно называемых «кипятильниками». На этом этапе двухходовой кран устанавливается в такое положение, чтобы образующийся конденсат пара по трубке возвращался в куб. Проверьте наличие тока воды в холодильнике.
2. Включите электрическую плитку и доведите жидкость до рав-
номерного кипения.
3. При достижении постоянства температуры кипения, которую
отмечают и заносят в таблицу 1 (или 2, в зависимости от системы),
установите двухходовой кран таким образом, чтобы конденсат поступал через отвод в приемник. Соберите в приемник 3 необходимое количество конденсата. При изучении систем типа «уксусная кислота –
вода» требуется отобрать 1,5–2 мл конденсата, а для систем типа «ацетон – четыреххлористый углерод» достаточно отобрать 0,3–0,5 мл.
Внимание! Если отобрать больше конденсата, то меняется состав раствора и резко изменяется температура кипения.
4. После отбора конденсата верните двухходовой кран в поло-
жение, при котором конденсат возвращается в перегонный куб.
5. Определите показатель преломления конденсата.
6. После отбора пробы конденсата снова отметьте температуру
кипения. Если температура кипения при отборе пробы изменилась,
следует вычислить среднее из величин температуры начала и конца
периода отбора проб конденсата.
7. Отключите электрическую плитку. Вставьте в шлиф 2 пипет-
ку, соедините ее с грушей и полностью удалите жидкость из перегонного куба 1 в специально отведенную склянку. Перегонный куб тщательно продуйте воздухом для удаления остатков жидкости. Перед
изучением равновесия смесей другого состава отводы двухходового
крана высушите фильтровальной бумагой.
Определение состава равновесных фаз
Для определения состава фаз могут быть использованы различные методы объемного или инструментального анализа. Для органических жидкостей пользуются измерением показателя преломления.
Измеряют показатели преломления исходных растворов известного
состава и чистых веществ. Далее строят калибровочную кривую зави-
28
симости показателя преломления от состава. По оси ординат откладывают показатель преломления смесей, а по оси абсцисс – их состав.
График строят на миллиметровой бумаге и выбирают для показателей
преломления такой масштаб, чтобы угол между калибровочной кривой и осью абсцисс составлял около 45°. По этой калибровочной кривой, зная показатель преломления конденсата, определяют его состав
в объемных процентах (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Калибровочный график: зависимость показателя преломления
раствора от его состава, выраженного в объемных процентах
Если одним из компонентов является кислота, то можно использовать титрование. Титруют исходные растворы известного состава и
строят калибровочный график зависимости расхода щелочи (мл) от
состава раствора. После определения расхода щелочи на титрование
конденсата по графику находят состав пара. Если объем конденсата
намного меньше объема равновесной жидкой фазы, то состав последней соответствует концентрации исходного раствора. В противном
случае эта величина может быть принята равной среднему арифметическому величин концентраций исходного раствора и жидкости,
оставшейся после отбора конденсата.
Результаты опытов внесите в табл. 1 (для систем «четыреххлористый углерод – ацетон») или в табл. 2 (для систем «уксусная кислота – вода»).
29
Таблица 1
№
раство-
ра
Концен-
трация ис-
ходного
раствора
Показатель
преломления
Концентрация
конденсата
Температура кипения,
Т°С
об.
%
мол.
%
исход-
ного
рас-
твора
паро-
вого
кон-
денсата
об.
%
мол.
%
до от-
бора
проб
после
отбора
проб
средняя
№
раство-
ра
Состав фаз
Температура кипения, Т°С
жидкость
пар
до от-
бора
проб
после
отбора
проб
средняя
расход
щелочи
на титрование ис-
ходного
раствора,
мл
концен-
трация
исходно-
го рас-
твора
расход
щелочи
на титрование
конденсата, мл
концен-
трация
конден-
сата
об% мол
%
об% мол
%
𝑛"=
$
%
&
%
Результаты эксперимента при исследовании систем
«четыреххлористый углерод – ацетон»
Таблица 2
Результаты эксперимента при исследовании систем
«уксусная кислота – вода»
Построение диаграммы температура кипения – состав
Для построения диаграммы «температура кипения – состав» на
оси абсцисс откладывают состав в молярных %, а на оси ординат –
температуры кипения чистых веществ и изученных растворов.
Количественный состав растворов выражают различными способами (часто в массовых или объемных процентах). Однако на диаграммах равновесия «жидкость – пар» состав обычно выражают
в мольных долях или молярных процентах. Для перевода объемных
процентов в молярные надо сначала найти число молей каждого компонента
30
,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]