Prtakt_fiz_him-och

Точка Э на диаграмме плавления, в которой пересекаются ликвидусы и солидус, соответствует эвтектической смеси (или эвтектике). Она представляет собой смесь компонентов с определенным составом, плавящуюся и отвердевающую подобно чистым веществам при постоянной температуре (температуре эвтектики).

Соотношение масс жидкой и твердой фазы в гетерогенной системе можно определить по правилу рычага. Например, для системы с составом Х при температуре Тх, если состав выражен в массовых процентах,

(при этом длина отрезка КМ пропорциональна общей массе смеси).

В том случае, когда компоненты смеси А и В образуют устойчивое химическое соединение, которое может быть выделено в твердом виде, на диаграмме плавления появляется максимум, отвечающий составу этого соединения и его температуре плавления. Такие соединения называют конгруэнтно плавящимися (см. рисунок ниже). В таких системах имеются две точки эвтектики ( Э1 и Э2).

х – состав устойчивого химического соединения,

ТХ – его температура плавления.

Для систем с химическим соединением состав на диаграммах удобнее указывать в мольных процентах (или мольных долях), так как при этом можно легко определить состав соединения. Например, если максимум соответствует составу 50 мольн.% А + 50 мольн.% В, то соединению отвечает формула А В, а если максимум приходится на состав 25 мольн.% А + 75 мольн.% В, то соединение имеет формулу А 3В (или АВ3).

51

При образовании в системе неустойчивого химического соединения (плавящегося инконгруэнтно) на одном из ликвидусов появляется излом, положение которого отвечает составу этого соединения:

Если компоненты смеси не выделяются из расплава в виде самостоя-

тельной фазы, а образуют смешанные кристаллы неопределенного состава

(изоморфные смеси или твердые растворы), то диаграммы плавления та-

ких смесей принимают вид:

52

Индивидуальное задание студенту.

1.Получить у преподавателя данные о температурах начала кристаллиза-

ции двухкомпонентной системы.

2.Построить по этим данным диаграмму плавления бинарной системы.

Указать области, соответствующие жидкой, твердой и гетерогенной сис-

темам.

3.Вычертить все типы кривых охлаждения, возможных в данной системе.

4.Определить составы и температуры плавления эвтектических смесей и химических соединений.

5.Определить физическое состояние систем, содержащих а, б, в % вещест-

ва А при температуре Т1 (см. таблицу с исходными данными).

6.Показать, что произойдет с этими системами при изменении температуры до Т2.

7.Определить вариантность систем с содержанием компонента А: а) 95

мольн.% и б) 5 мольн.% при температуре Т1.

8.Определить вариантность системы в точке эвтектики и в любой точке,

указанной преподавателем.

9.Определить, при какой температуре начнет плавиться смесь, содержа-

щая а% вещества А, и при какой температуре она расплавится полно-

стью.

10.Показать результаты анализа диаграммы плавления преподавателю.

11.Сформулировать выводы.

53

Работа 2.2.

Построение диаграммы кипения бинарной смеси.

Цель работы: построение и анализ диаграммы кипения бинарной

смеси.

Целевые задачи: освоение принципа построения диаграмм кипения бинарной смеси; их анализ.

Диаграммы состояния, отражающие равновесие жидких и парооб-

разных фаз, называются диаграммами кипения. Наиболее удобной фор-

мой представления диаграмм кипения является их изображение в координатах температура–состав. Если смесь двух летучих жидкостей представляет собой раствор с небольшими отклонениями от закона Рауля,

еѐ диаграмма кипения будет иметь вид, изображенный на рисунке:

Диаграмма кипения. 1 область жидкости, 2 область кипящей жидкости, находящейся в равновесии с паром, 3 область пара, 4 ликвидус, 5 линия пара.

54

Каждая точка линии ликвидуса 4 отвечает температуре начала кипе-

ния при нагревании смеси с определенным составом (или полной конден-

сации пара при охлаждении). Точки линии 5 соответствуют окончанию кипения при полном переходе жидкости в пар ( или началу конденсации пара в жидкость при охлаждении). Область диаграммы над линией 5 отве-

чает парообразным (газообразным) системам, область под линией 4 – жид-

ким растворам. Фазовое поле между линиями 4 и 5 соответствует гетерогенным системам, в которых находятся в равновесии кипящая жид-

кость и пар.

При значительных положительных отклонениях от закона Рау-

ля, когда общее давление пара над раствором превышает давление пара любого из чистых компонентов, и на диаграммах температура – состав по-

является минимум, две ветви ликвидуса сходятся в точке Х с линией пара.

При значительных отрицательных отклонениях от закона Рауля, когда об-

щее давление пара над раствором становится ниже давления пара любого из чистых компонентов, на диаграммах температура состав появляется максимум:

Диаграммы кипения:

55

Растворы, состав которых (х) отвечает этим экстремальным точкам,

называются азеотропными (нераздельно кипящими или азеотропами). Их состав не меняется при кипении, и температура остается постоянной до полного перехода жидкости в пар (или до полной конденсации пара в жид-

кость при охлаждении). Такие смеси, в отличие от остальных, нельзя раз-

делить перегонкой. Примером азеотропа с минимумом температуры кипения является смесь, содержащая 96% (по объѐму) этилового спирта и

4% воды, иначе называемая спиртом ректификатом.

Относительное количество жидкой и газообразной фаз для гетеро-

генной системы при температуре Тy можно рассчитать по правилу рычага

(см. соотв. рис.):

Индивидуальное задание студенту.

1.Получить у преподавателя данные о зависимости температуры кипения от состава жидкой (Х) и газообразной (У) фаз бинарной смеси.

2.Построить по этим данным диаграмму кипения.

3.Определить температуру начала кипения системы, содержащей “а” мольн. % компонента А, и состав первого пузырька пара.

4.Определить температуру, при которой исчезнет последняя капля жидкости, и состав этой капли.

5.Определить состав пара, находящегося в равновесии с жидкой бинарной системой, кипящей при температуре Т1.

6.Определить состав и температуру кипения азеотропа.

7.Определить вариантность системы в азеотропной точке и в любой точке, указанной преподавателем.

8.Показать результаты анализа диаграммы кипения преподавателю.

9.Сформулировать выводы.

56

Работа 2.3.

Определение критической температуры растворения системы «фенол--вода».

Цель работы: Определение критической температуры растворения

(КТР) системы «фенол вода».

Целевые задачи: Овладение техникой термического анализа; по-

строение фазовой диаграммы системы «фенол вода»; графическое определение КТР; выяснение прикладных возможностей фазовых диаграмм.

Существуют жидкости с ограниченной взаимной растворимостью.

Она наблюдается в том случае, когда переход молекул через поверхность раздела сопряжѐн с совершением работы, заметно превышающей среднюю энергию движения молекул жидкостей при данных условиях. Увеличение температуры приводит к росту энергии поступательного движения моле-

кул, поэтому взаимная растворимость жидкостей при повышении темпера-

туры также увеличивается. При некоторой температуре, называемой

критической температурой растворения (КТР), растворимость стано-

вится неограниченной при любом соотношении компонентов.

Диаграмма состояния, отражающая растворимость жидкостей друг в друге при различных температурах, называется диаграммой растворения

(растворимости).

На рисунке показана типичная диаграмма растворимости с верхней

КТР.

57

Примечание: Для большей наглядности рекомендуется использовать

следующий масштаб: по оси температур 1 см =1 градус,

а по оси времени 1 мм =1 мин.

9.Не вынимая полностью термометр из пробирки (во избежание потери массы) внести в неѐ пипеткой первую добавку дистиллированной воды

(см. табл.).

10.Поместить пробирку в горячую воду. После гомогенизации (взаимного растворения воды и фенола) вынуть еѐ из воды и охладить на воздухе до гетерогенизации (помутнения). Для равномерного охлаждения жидкости еѐ можно перемешивать термометром. Записать температуру, при которой произошла гетерогенизация, в таблицу экспериментальных данных.

11. Повторить операции, описанные в п.п. 9 10, поочередно со всеми до-

бавками воды. Сверить результаты у преподавателя и занести их в таб-

лицу.

12.Привести в порядок рабочее место и сдать его дежурному.

13.Заполнить таблицу, рассчитав все указанные в ней величины.

14. Построить по данным о температуре гетерогенизации диаграмму растворения (см. рисунок внизу), проведя плавную усредняющую линию

60