Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Фазовое равновесие. Задачи и упражнения. Учебно-методическое пособие
.pdf
3) определите, какой компонент может быть выделен в чистом виде при помощи дистилляции из смесей, состоящих: а) из 33 % CHCl
85 % CHCl
и 15 % (СН3)2СО, и где он будет находиться – в приемнике или
3
и 67 % (СН3)2СО; б) из
3
в перегонной колбе.
Задача 4. Вода и хлороводород образуют азеотропную смесь, состоящую из
79,76 % воды и 20,24 % HCl. Температуры кипения воды, хлороводорода и
азеотропной смеси соответственно равны: 100 °С, – 85° С и 110 °С. Что будет
отгоняться и что останется в перегонном сосуде, если состав исходной смеси:
а) 40 % воды, 60 % НСl; б) 90 % воды и 10 % НСl?
Задача 5. Метиловый спирт и бензол образуют азеотропную смесь, содержа-
щую 39 % СН3ОН и 61 % С6Н6, которая кипит при 57,9° С. Температуры кипения метилового спирта и бензола соответственно равны 64,7° С и 80,2° С. Что
будет собрано в приемнике и что останется в перегонном аппарате при фракционной перегонке смеси, состоящей из: а) 20 % СН3ОН и 80 % С6Нв; б) 60 %
СН3ОН и 40 % C6H6?
Задача 6. Вода и пропиловый спирт образуют азеотропную смесь состава:
28,2 % воды и 71,8 % С3Н7ОН. Какой компонент и в каком количестве может
быть выделен в чистом состоянии при помощи дистилляции из смеси, состоящей из: а) 150 г воды и 850 г С3Н7ОН; б) 800 г воды и 200 г С3Н7ОН?
Задача 7. Этиловый спирт и толуол образуют азеотропную смесь, состоящую
из 68 % С2Н5ОН и 32% С7Н8. Какой компонент, и в каком количестве должен
быть прибавлен к смеси, состоящей из 400 г спирта и 100 г толуола, чтобы образовалась азеотропная смесь?
Задача 8. Пользуясь диаграммой кипения смеси пентана и гексана (рисунок
17) ответьте на следующие вопросы.
1. Определите состав пара, находящегося
в равновесии с жидкостью, содержащей
30 % мольных пентана.
2. Каков характер отклонения от закона
Рауля для данной системы?
3. Рассчитайте количество моль жидко-
сти и пара, находящихся в равновесии
при 60° С, если система содержит 6 моль
С5Н12 и 14 моль С6Н14;
4. Определите температуру начала кипения раствора, содержащего 172 кг С
и 216 кг С5Н12. Рис. 17
6Н14
31
Задача 9. Пользуясь диаграммой кипения смеси
уксусной кислоты и воды (рисунок 18) ответьте на
следующие вопросы:
1. Укажите температуры начала и конца конденсации системы, содержащей 80% Н2О; Каков состав
первых капель жидкости в начале конденсации?
2. Какие фазы и какого состава находятся в равновесии, если система, состоящая из 2 моль
СН3СООН и 2 моль Н2О, нагрета до 105° С?
3. Как изменится состав пара над жидкостью, содержащей 20% Н2О, если к ней прибавить некото-
Рис. 18
рое количество СН3СООН?
4. Сколько степеней свободы имеет система, содержащая 100% СН3СООН при
118° С? Какие параметры состояния можно менять, не нарушая фазового равновесия в этой системе?
5. Вычислите в массовых процентах состав раствора, который начинает кипеть
при 105,7° С.
6. Нагреты до 107° С 15 моль парожидкостной смеси, общий состав которой 55
мол.% СН
СООН и 45 мол.% Н2О. Определите, сколько граммов уксусной кис-
3
лоты будет содержаться в жидкости при этой температуре.
Задача 10. Пользуясь диаграммой кипения смеси
диэтилового эфира и четыреххлористого углерода (рисунок 19) ответьте на следующие вопросы.
1. В каком фазовом состоянии находится система,
содержащая 40 % эфира при 65°С?
2. При какой температуре начнется кипение системы, содержащей 60 % ССl4? Каков при этом
будет состав пара?
3. На основании приведенной диаграммы дайте
заключение о тепловом эффекте взаимодействия
С2Н5ОС2Н5 с ССl4.
4. Определите массу пара и массу жидкости, если 1
кг жидкости, содержащей 30 мол.% ССl4, нагрет
до 60° С.
5. Определите, какое минимальное количество, и
какого компонента нужно добавить к 1 кг системы,
содержащей 40 мол.% ССl4 при 50°С, чтобы началось кипение без изменения температуры.
Задача 11. Пользуясь диаграммой кипения смеси
этилового спирта и четыреххлористого углерода
(рисунок 20) ответьте на следующие вопросы:
32
Рис. 19
Рис. 20
1. При какой температуре полностью исчезнет жидкая фаза в процессе нагревания системы, содержащей 15 мол.% ССl4?
2. Смесь спирта и четыреххлористого углерода неизвестного состава начинает
кипеть при 70°С. Определите ее состав, если при добавлении к ней нескольких
миллилитров спирта температура начала кипения понизилась до 67° С.
3. Укажите число компонентов К, фаз Ф и степеней свободы С для системы, содержащей 62,5% ССl4 при 63,5° С.
4. Сколько моль спирта перейдет в пар, если систему, содержащую 20 моль
спирта и 20 моль четыреххлористого углерода, нагреть до 65°С?
5. Какой компонент и в каком количестве (кг) можно выделить в пределе в чистом виде при ректификации 50 кг смеси, содержащей 20 масс.% спирта?
Задача 12. Пользуясь диаграммой кипения смеси
воды и азотной кислоты (рисунок 21) ответьте на
следующие вопросы:
1. Укажите на диаграмме точки, где в равновесии
находятся две фазы одинакового состава.
2. Каков будет в пределе состав дистиллята и кубового остатка в результате ректификационной
перегонки раствора, содержащего 85% Н2О?
3. Пользуясь законами Вревского, определите, измеится ли и как состав азеотропной смеси и состав
пара над жидкостью, содержащей 60% HNO3, если
давление над системой повысить, например, от 105 до 107 Па.
Рис. 21
Считать, что парциальная молярная теплота испарения каждого компонента пропорциональна его температуре кипения.
4. Исходя из данной диаграммы кипения, сравните величину сил взаимодействия между одноименными и разноименными частицами в растворе
HNО3 + Н2О.
5. Рассчитайте количество пара (кг), которое получится при нагревании 10 кг
раствора, содержащего 30 мол. % Н2О, до 115°С.
6. Какого компонента и какое количество (кг) нужно добавить к смеси, содер-
жащей 2 моль HNО
и 8 моль H2O, чтобы получить азеотропную смесь?
3
Задания для самостоятельной работы
Дана зависимость составов жидкой (х) и газообразной (у) фаз от температуры (Т) для бинарной жидкой системы А – В при постоянном давлении Р. Составы (х) и (у) выражены в молярных процентах вещества А:
1) построить график зависимости состава пара (у) от состава жидкой фазы (х)
при Р = const;
2) построить график зависимости состав – температура кипения;
3) определить температуру кипения системы, содержащей (а) мол.% компонен-
та А; каков состав первого пузырька пара, при какой температуре исчезнет последняя капля жидкости и каков ее состав;
33
4) определить состав пара, находящегося в равновесии с жидкой бинарной системой, кипящей при Тх;
5) при помощи какого эксперимента можно установить состав жидкой бинар-
ной системы, если она начинает кипеть при Тх (при наличии диаграммы состав –
температура кипения)?
6) какой компонент и в каком количестве может быть выделен из системы, состоящей из (б) кг вещества А и (в) кг вещества В?
7) какого компонента и какое количество надо добавить к указанной в п. 6 смеси, чтобы получилась азеотропная смесь?
8) какое количество вещества А (кг) будет в парах и в жидкой фазе, если 2 кг
смеси, содержащей (а) % вещества А, нагреть до температуры Тх?
9) определить вариантность системы в азеотропной точке.
Данные о температурах и составах систем приведены в таблицах 3 и 4 (см.
Приложение).
Контроль знаний по теме
«Равновесие жидкость – пар. Диаграммы кипения».
Вариант № 1
1. Укажите состав последних капель
конденсата, образующегося при охлаждении пара содержащего 20 % (мольных) С
А. 5 % ССl4. Б. 45 % ССl4.
В. 80 % ССl
2. Смесь С2Н5ОН и ССl4 неизвестного состава начинает кипеть при температуре 65 ºС. Определите ее состав, если при
добавлении к ней нескольких миллилитров спирта температура начала кипения поднялась до 67ºС.
А. 75 % ССl4. Б. 35 % ССl4. В. 20 % ССl4. Г. 70 % ССl4.
3. Укажите число компонентов, фаз и степеней свободы для системы, обозначенной на диаграмме фигуративной точкой «а».
2Н5
ОН.
. Г. 73 % ССl4.
4
А. К = 2; Ф = 3; С = 0. Б. К = 3; Ф = 2; С = 2.
В. К = 2; Ф = 2; С = 1. Г. К = 1; Ф = 2; С = 0.
34
4. При какой температуре начнет кипеть смесь, содержащая 25 % (мольн.)
, если к 20 кг этой смеси добавить 10 кг смеси, имеющей в своем соста-
ССl
4
ве 50 % (мас.) С
2Н5
ОН?
А. 75 ºС. Б. 71 ºС. В. 63 ºС Г. 66 ºС
Вариант № 2
1. Какие фазы и какого состава находятся в равновесии, если система, состоящая из 60 % СН
нагрета до 107 ºС?
А. Жидкость – 67 % СН3СООН;
пар – 50 % СН
3
Б. Жидкость – 60 % СН
пар – 60 % СН
3
В. Жидкость – 50 % СН
пар – 67 % СН
3
Г. Жидкость – 55 % СН
пар – 65 % СН
3
2. Укажите температуры начала и конца конденсации системы, содержащей
20 % Н
О. Каков состав первых капель жидкости в начале конденсации?
2
СООН и 40 % Н2О,
3
СООН.
СООН;
3
СООН.
СООН;
3
СООН.
СООН;
3
СООН.
А. 102,2 ºС и 101,1ºС. 31 % СН3СООН
Б. 113,1 ºС и 110,6 ºС. 12 % Н
В. 110,6 ºС и 113,1 ºС. 32 % Н
Г. 101,2 ºС и 102,2 ºС. 12 % СН
О
2
О
2
СООН
3
3. Каков характер отклонений от закона Рауля для этой системы?
А. Система подчиняется закону Рауля.
Б. Отрицательное отклонение.
В. До 60 % СН
центрациях СН
СООН – отрицательное отклонение, а при более высоких кон-
3
СООН – положительное.
3
Г. Положительное отклонение.
4. 15 моль смеси, состоящей из 55 % СН3СООН и 45 % Н2О, нагреты до 107 ºС.
Определите сколько грамм СН
СООН будет содержаться в жидкой фазе?
3
А. 95 г. Б. 150 г. В. 195 г. Г. 285 г.
35
Вариант № 3
1. В каком фазовом состоянии находится
система, содержащая 40 % (мольн.) ССl
при 65 ºС?
А. Гетерогенная система: две жидкие фазы.
Б. Гетерогенная система: пар и жидкость.
В. Гомогенная система: пар.
Г. Гомогенная система: жидкость.
2. При какой температуре начнется кипение системы, содержащей 40 % (мольн.)
? Каков будет состав пара?
ССl
4
А. 70 ºС. 65 % ССl4 Б. 61 ºС. 16 %
В. 61 ºС. 0 % ССl
Г. 70 ºС. 100 % ССl4
4
3. Определите массу пара и жидкости в кг, если система массой 3 кг, содержащая 40 % ССl
(мольн.), нагрета до 65 ºС.
4
4
А. Жидкость – 2,645 кг, пар – 0,355 кг. Б. Жидкость – 1,935 кг, пар – 1,065 кг.
В. Жидкость – 1,065 кг, пар – 1,935 кг. Г. Жидкость – 1,800 кг, пар – 1,200 кг.
4. Каков характер отклонения от закона Рауля для этой системы? Уточните ответ, указав диапазон концентраций.
А. До 40 % ССl4 – отклонения положительные, а выше – отрицательные.
Б. Закон Рауля соблюдается во всем диапазоне концентраций.
В. Отрицательное отклонение во всем диапазоне концентраций.
Г. Положительное отклонение во всем диапазоне концентраций.
Вариант № 4
1. При какой температуре начнется конденсация пара, содержащего 10 % Н
став первой капли жидкости при конденсации?
О? Каков со-
2
А. 108,7 ºС. 2 % HNO3.
Б. 90,5 ºС. 100 % HNO
В. 118,7 ºС. 24 % HNO
Г. 115 ºС. 52,5 % HNO
3
3
3
.
.
.
36
2. Сколько фаз, какие и какого состава находятся в равновесии, если раствор, содержащий 20 % Н
О, нагрет до 105 ºС ?
2
А. 2 фазы: пар (100 % HNO3), жидкость (67,5 % HNO3)
Б. 1 фаза: пар (80 % HNO
В. 2 фазы: пар (97,5 % HNO
Г. 2 фазы: пар (67,5 % HNO
)
3
), жидкость (67,5 % HNO3)
3
), жидкость (97,5 % HNO3).
3
3. На какие составные части можно разогнать в ректификационной колонне раствор, содержащий 30 % Н
О?
2
А. Н2О и HNO
В. НNО
и азеотропную смесь Г. В данных условиях раствор не разгоняется.
3
3
Б. Н2О и азеотропную смесь
4. Сколько кг Н2О содержится в парах, полученных при нагревании 200 моль
жидкости, содержащей 70 % (мольн.) HNO
, до 115 ºС?
3
А. 0,444 кг. Б. 0,934 кг. В. 0,168 кг Г. 1,065 кг.
Вариант № 5
1. При какой температуре начинает кипеть жидкость, содержащая 15 % (мольн.)
ОН? Каков состав первых пузырьков
С
2Н5
пара?
А. 70 ºС. 8 % С2Н5ОН Б. 67,5 ºС. 80 % ССl
В. 69,4 ºС. 85 % ССl
4
Г. 75 ºС. 100 % ССl4
2. Смесь С2Н5ОН и ССl4 неизвестного состава начинает кипеть при температуре
70 ºС. Определите ее состав, если при добавлении к ней нескольких миллилитров
температура начала кипения опусти-
ССl
4
лась до 65ºС.
4
А. 14 % ССl4. Б. 37 % ССl4. В. 87 % ССl4. Г. 92 % ССl4.
3. Какой состав будет иметь конденсат после ректификации смеси, содержащей 40 % (мольн.) ССl
?
4
А. 0 % ССl4. Б. 62 % ССl4. В. 100 % ССl4. Г. 38 % ССl4.
37
4. Какой компонент и в каком количестве (в кг) следует добавить к 40 кг
смеси, содержащей 75 % ССl
, чтобы получить азеотропную смесь?
4
А. 24,5 кг ССl4. Б. 24,5 С2Н5ОН. В. 3,0 кг ССl4. Г. 3,0 С2Н5ОН.
2.3. Равновесие жидкость – жидкость.
Экстракция
Закон распределения:
вещество, добавленное к системе, состоящей из двух ограниченно растворимых жидкостей, распределяется между обоими слоями в определенном при
данной температуре соотношении
где К – коэффициент (или константа) распределения;
и а
а
1
– активности распределяемого вещества в первом и втором слоях.
2
Для разбавленных растворов вместо соотношения активностей можно приближенно пользоваться соотношением концентраций:
Экстракция – извлечение вещества из раствора подходящим растворите-
лем (экстрагентом). Количество вещества, которое извлекается экстрагентом,
определяют по уравнению
g
g
где V1 – объем раствора;V2 – объем экстрагента; К – коэффициент распределения; go – начальное количество вещества в растворе; п – число экстракций.
0
К
а
1
а
2
С
1
К
С
2
1
KV
n
1
VKV
21
Задачи
Задача 1. При 15°С водный раствор янтарной кислоты (1,21 г в 100 см
3
) нахо-
дится в равновесии с эфирным раствором янтарной кислоты (0,22 г в 100 см3).
Определить концентрацию янтарной кислоты в эфирном слое (г/100 см3), который находится в равновесии с ее водным раствором (0,484 г в 100 см3). Диссоциацией янтарной кислоты в обоих растворах пренебречь.
Задача 2. При распределении уксусной кислоты между четыреххлористым уг-
леродом и водой были получены следующие данные:
38
С2 в ССl4, моль/л 0,292 0,363 0,725 1,07 1,41
С1 в Н2О, моль/л 4,84 5,42 7,98 9,69 10,7
С2/С
1
0,0605 0,0671 0,0907 0,1105 0,132
В четыреххлористом углероде уксусная кислота находится частично в виде
двойных молекул. Определить константу распределения и константу ассоциации уксусной кислоты в четыреххлористом углероде.
Задача 3. Коэффициент распределения йода между водой и сероуглеродом ра-
вен 0,0017. Водный раствор, содержащий 1 г/л йода, взбалтывается с сероуглеродом. Определить количество йода, оставшееся в водном растворе, если
1) 1 л водного раствора йода взболтать с 0,05 л сероуглерода;
2) 1 л водного раствора йода взболтать последовательно с пятью отдельными
порциями сероуглерода по 0,01 л каждая?
Задача 4. Вычислить, сколько фенола можно извлечь из 500 мл 0,4 М водного
раствора фенола при взбалтывании его дважды со 100 мл амилового спирта, если при 25°С раствор, содержащий 10,53 г/л фенола в амиловом спирте, находится в равновесии с водным раствором фенола, концентрация которого
С1 = 0,658 г/л.
Задача 5. При 15°С водный раствор янтарной кислоты (0,7 г/100 см
3
) находится
в равновесии с эфирным раствором янтарной кислоты (0,13 г/100 см3). Определить концентрацию янтарной кислоты в эфирном растворе, находящемся в равновесии с ее 0,2 н. водным раствором.
Задача 6. При изучении распределения уксусной кислоты между ССl
(2) и во-
4
дой (1) при 25°С были получены следующие результаты:
С
, моль/л 0,684 1,691 9,346
1
С
, моль/л 0,015 0,0525 1,0461
2
Определить константу распределения и константу ассоциации, если в слое ССl4
уксусная кислота ассоциирована в димеры.
Задача 7. В двух эвакуированных сосудах, сообщающихся между собой через
парообразную фазу (пары бензола), находится в равновесии два раствора: 21 г
бензола + 0,24 г фенантрена; 24,28 г бензола + 0,32 г бензойной кислоты. Бензойная кислота в бензоле ассоциирована в димеры. Рассчитать константу ассоциации бензойной кислоты (концентрацию выразить в мольных долях).
39
Задача 8. Распределение фенола между водой и хлороформом при 25°С опре-
деляется следующими равновесными концентрациями, мг/л:
В воде 73,7 163 247 436
В хлороформе 254 761 1850 5430
Проверить предположение, что фенол в хлороформе существует в форме
(С6Н5ОН)n (n – целое число). Чему равно n?
Задача 9. Распределение йода между ССl
и водой при 25°С определяется сле-
4
дующими данными, мг/л:
В ССl
4
0,004412 0,006966 0,01088 0,0001276
В воде 0,0000516 0,0000818 0,0001276 0,0002913
Сколько миллилитров ССl4 необходимо взять, чтобы одним экстрагированием
извлечь из 100 мл водного раствора: а) 90%, б) 99,9% растворенного йода?
Задача 10. В водном растворе HgCl
частично образует двойные молекулы
2
Hg2Cl4, а в бензоле находится в виде простых молекул. Рассчитать константу
равновесия этой реакции при 25°С по следующим данным для равновесного
распределения HgCl2 между водой и бензолом, ммоль/л:
В воде 232,16 157,78 111,20 64,76 7,38 1,845
В бензоле 17,39 12,22 8,80 5,24 0,618 0,155
Задача 11. Распределение анилина между водой и толуолом при 25°С опреде-
ляется следующими данными, ммоль/л:
В воде 23,2 48,4 102,0
В толуоле 181 413 1006
Рассчитать коэффициент распределения анилина между толуолом и водой и Кд
для реакции ассоциации анилина в толуоле.
Задача 12. При распределении фенола при 25°С между водой и бензолом кон-
центрации фенола в водном слое составили 101,3; 336,0 ммоль/л; в бензольном
слое – 279; 2978 ммоль/л. Бензольная фаза содержит двойные и одинарные молекулы фенола, а водная фаза содержит только одинарные молекулы. Рассчитать коэффициент распределения фенола между бензолом и водой и константу
ассоциации фенола в бензоле.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]