Фазовое равновесие «жидкость – пар». Учебно-методическое пособие

388

390

392

394

396

398

400

0 20 40 60 80 100

T, K

мол. % бутандиола

Рис. 3.20. Диаграмма кипения системы

бутандиол – бутилацетат (при р = 10,133·104 Па)

71

Задание 21

Пользуясь приведенной на рис. 3.21 диаграммой состав (мол. %) – температура (t °С) для системы хлороформ – метанол, ответьте на следующие вопросы:

1. Укажите на диаграмме линию жидкости и линию пара. Почему

их так называют? На какие области делят диаграмму эти линии?

2. Укажите, где на диаграмме точки, в которых система нонвариантна, моновариантна, бивариантна. Обоснуйте свой ответ, используя правило фаз Гиббса.

3. Сформулируйте закон Рауля. Каков характер отклонения от закона Рауля для данной системы? Изобразите схематически, как должна выглядеть для данной системы диаграмма давление – состав. Выделяется или поглощается тепло при образовании раствора из хлороформа и метанола? Оцените величину сил взаимодействия между одноименными и разноименными частицами в данных растворах.

4. Сформулируйте I и II законы Коновалова. Подчиняется ли система хлороформ – метанол этим законам?

5. Какая смесь закипит при более низкой температуре: содержащая 8 % хлороформа или 8 % метанола? Каким будет состав первых пузырьков пара, образующихся при закипании каждой из этих смесей?

6. Нагревают три смеси, содержащие 10, 66 и 80 % хлороформа. Определите, при какой температуре в каждой из них исчезает последняя капля жидкости, и укажите, каким будет состав этой капли в каждом случае.

7. Сформулируйте правило рычага. Проиллюстрируйте его на примере раствора, содержащего 40 % хлороформа и нагретого до температур 328 и 330 К.

8. Жидкость неизвестного состава конденсируется из паров при 332 К. При добавлении к ней нескольких миллилитров метанола температура начала конденсации понизилась до 328 К. Определите состав жидкости.

9. Каковы будут в пределе составы дистиллята и кубового остатка в результате ректификационной перегонки раствора, содержащего 20 % метанола?

72

326

328

330

332

334

336

338

0 20 40 60 80 100

T, K

мол. % хлороформа

Рис. 3.21. Диаграмма кипения системы хлороформ – метанол

73

Задание 22

Пользуясь приведенной на рис. 3.22 диаграммой состав (мол. %) – температура (t °С) для системы 2-метил-3-бутил-2-ол – вода, ответьте на следующие вопросы:

1. Сформулируйте закон Рауля. Каков характер отклонения от закона Рауля для данной системы? Оцените величину сил взаимодействия между одноименными и разноименными частицами в данных растворах. Изобразите схематически, как должна выглядеть для данной системы диаграмма давление – состав.

2. Что такое термодинамическое число степеней свободы системы? По какой формуле оно рассчитывается? Что такое условное число степеней свободы? Укажите на диаграмме точки, в которых условное число степеней свободы равно 0; 1; 2. Охарактеризуйте систему в этих точках, указав, какие фазы находятся в равновесии.

3. Сформулируйте II закон Коновалова и проиллюстрируйте на диаграмме его выполнение для данной системы. Сформулируйте I закон Коновалова. Почему для данной системы его не применяют?

4. Какая смесь закипит при более низкой температуре: содержащая 10 % воды или 10 % спирта? Каким будет состав первого пузырька пара, образующегося при закипании каждой из этих смесей?

5. Нагревают три смеси, содержащие 8, 34 и 60 % воды. Определите, при какой температуре в каждой из них исчезает последняя капля жидкости, и укажите, каким будет состав этой капли в каждом случае.

6. Определите количество пара и количество жидкости в молях, если 12 кмоль раствора, содержащего 60 % воды, нагреты до 367 К.

7. Жидкость неизвестного состава конденсируется из паров при 366 К. При добавлении к ней нескольких миллилитров воды температура начала конденсации повысилась до 368 К. Определите состав жидкости.

8. Какие способы разделения азеотропных смесей вы знаете?

9. Каковы будут в пределе составы дистиллята и кубового остатка в результате ректификационной перегонки раствора, содержащего 5 % воды?

74

362

364

366

368

370

372

374

376

378

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T, K

мол. % 2-метил-3-бутил-2-ола

Рис. 3.22. Диаграмма кипения системы

2-метил-3-бутил-2-ол – вода

75

Задание 23

Пользуясь приведенной на рис. 3.23 диаграммой состав (мол. %) – температура (t °С) для системы цис-дихлорэтан – метанол, ответьте на следующие вопросы:

1. Назовите линии на диаграмме. На какие области делят диа-

грамму эти линии?

2. Какой раствор называют идеальным? Подчиняется ли данная система условиям идеальности? Если нет, то каков характер отклонения от закона Рауля для данной системы? Изобразите схематически, как должна выглядеть для данной системы диаграмма давление – состав.

3. Что такое термодинамическое число степеней свободы системы? Что такое условное число степеней свободы? Укажите, где на диаграмме точки, в которых система нонвариантна, моновариантна, бивариантна. Обоснуйте свой ответ, используя правило фаз Гиббса.

4. Сформулируйте I и II законы Коновалова. Какой из них выполняется для данной системы? Проиллюстрируйте на диаграмме.

5. Какая смесь закипит при более низкой температуре: содержащая 20 % метанола или 20 % цис-дихлорэтана?

6. При какой температуре начнется кипение смеси, содержащей 60 % метанола? Каков состав первого пузырька пара, образующегося при закипании этой смеси? Какими будут составы жидкости и пара, если этот состав нагреть до 328 К?

7. Нагревают три смеси, содержащие 8, 75 и 80 % метанола. Определите, при какой температуре в каждой из них исчезает последняя капля жидкости, и укажите, каким будет состав этой капли в каждом случае.

8. Определите количество пара и количество жидкости в молях, если 10 кмоль раствора, содержащего 60 % метанола, нагреть до 326 К.

9. Каковы будут в пределе составы дистиллята и кубового остатка в результате ректификационной перегонки раствора, содержащего 20 % метанола?

76

324

326

328

330

332

334

336

338

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T, K

мол. % цис-дихлорэтана

Рис. 3.23. Диаграмма кипения системы

цис-дихлорэтан – метанол

77

Задание 24

Пользуясь приведенной на рис. 3.24 диаграммой состав (мол. %) – температура (t °С) для системы этан – фенол, ответьте на следующие вопросы:

1. Назовите признаки и характерные особенности идеального раствора. Каков характер отклонения от закона Рауля для данной системы? Оцените величину сил взаимодействия между одноименными и разноименными частицами в данных растворах. Изобразите схематически, как должна выглядеть для данной системы диаграмма давление – состав.

2. Приведите и поясните правило фаз Гиббса. Укажите на диаграмме точки, в которых условное число степеней свободы равно 0; 1;

2. Охарактеризуйте систему в этих точках, указав, какие фазы находятся в равновесии.

3. Сформулируйте II закон Коновалова и проиллюстрируйте на диаграмме его выполнение для данной системы. Сформулируйте I закон Коновалова. Почему для данной системы его не применяют?

4. Какая смесь закипит при более низкой температуре: содержащая 10% этана или 10% фенола?

5. При какой температуре начнется кипение смеси, содержащей 80 % этана? Каков состав первого пузырька пара, образующегося при закипании этой смеси? Какими будут составы жидкости и пара, если этот состав нагреть до 346 К?

6. Нагревают три смеси, содержащие 20, 43 и 80 % этана. Определите, при какой температуре в каждой из них исчезает последняя капля жидкости, и укажите, каким будет состав этой капли в каждом случае.

7. Определите количество пара и количество жидкости в молях, если 16 кмоль раствора, содержащего 92% фенола, нагреть до 348 К.

8. Каковы будут в пределе составы дистиллята и кубового остатка в результате ректификационной перегонки раствора, содержащего 20% фенола?

78

340

342

344

346

348

350

352

354

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T, K

мол. % этана

Рис. 3.24. Диаграмма кипения системы этан – фенол

79

Задание 25

Пользуясь приведенной на рис. 3.25 диаграммой состав (мол. %) – температура (t °С) для системы сероуглерод – ацетон, ответьте на следующие вопросы:

1. Сформулируйте закон Рауля. Каков характер отклонения от закона Рауля для данной системы? Оцените величину сил взаимодействия между одноименными и разноименными частицами в данных растворах. Изобразите схематически, как должна выглядеть для данной системы диаграмма давление – состав.

2. Что такое термодинамическое число степеней свободы системы? По какой формуле оно рассчитывается? Что такое условное число степеней свободы? Укажите на диаграмме точки, в которых условное число степеней свободы равно 0; 1; 2. Охарактеризуйте систему в этих точках, указав, какие фазы находятся в равновесии.

3. Сформулируйте II закон Коновалова и проиллюстрируйте на диаграмме его выполнение для данной системы. Сформулируйте I закон Коновалова. Почему для данной системы его не применяют?

4. Какая смесь закипит при более низкой температуре: содержащая 20 % сероуглерода или 20 % ацетона? Каким будет состав первого пузырька пара, образующегося при закипании каждой из этих смесей?

5. Нагревают три смеси, содержащие 10, 66 и 80 % сероуглерода. Определите, при какой температуре в каждой из них исчезает последняя капля жидкости, и укажите, каким будет состав этой капли в каждом случае.

6. Определите количество пара и количество жидкости в молях, если 40 кмоль раствора, содержащего 60 % ацетона, нагреты до 316 К.

7. Жидкость неизвестного состава конденсируется из паров при 318 К. При добавлении к ней нескольких миллилитров сероуглерода температура начала конденсации снизилась до 316 К. Определите состав жидкости.

8. Какие способы разделения азеотропных смесей вы знаете?

9. Можно ли путем ректификационной перегонки растворов, содержащих 20 и 90 % сероуглерода соответственно, получить чистый ацетон? Каковы будут в пределе составы дистиллята и кубового остатка для этих смесей?

80