Диаграммы ограниченной взаимной растворимости 2-х жидкостей

Все жидкости по растворимости друг в друге можно разделить на три типа:

1) Неограниченно растворимые.

2) Ограниченно растворимые.

3) Практически нерастворимые.

Рассмотрим системы, составленные из двух ограниченно растворимых жидкостей. Практическое значение имеет главным образом зависимость взаимной растворимости от температуры при постоянном давлении. Для характеристики этих систем на основании экспериментальных данных строят диаграммы растворимости.

Рисунок 8 – Диаграмма ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей с верхней критической температурой растворимости

Рисунок 9 – Диаграмма ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей с нижней критической температурой растворимости

Рисунок  10 – Диаграмма ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей с верхней и нижней критической температурами растворимости

На каждой из трёх диаграмм заштрихованные области являются гетерогенными, здесь имеется две фазы. Кривая, ограничивающая гетерогенную область, называется кривой расслоения (бинодальная кривая). Область, расположенная за пределами кривой расслоения, является гомогенной. Критическая температура – это температура, выше которой на диаграммах с верхней критической температурой и ниже которой на диаграммах с нижней критической температурой, жидкости неограниченно растворимы друг в друге.

Проанализируем диаграмму с верхней критической температурой растворимости (рисунок 8). Левая ветвь кривой ЕМК показывает зависимость растворимости вещества В в А; правая ветвь кривой KNL показывает зависимость растворимости А в В. Проанализируем, как будет изменяться состав фаз и число степеней свободы при постоянной температуре при увеличении содержания жидкости В в системе. Общая масса системы должна быть неизменной.

В точке D имеем ненасыщенный раствор В в А , система гомогенна. Число степеней свободы по правилу фаз Гиббса равно: f = 2 – 1 + 1 = 2 .Дальнейшее увеличение содержания В вызывает смещение точки D вдоль линии DF . При этом точке М будет соответствовать насыщенный раствор состава О. Значит, любой точке на линии ЕМК соответствует насыщенный раствор В в А, а любой точке на кривой KNL- насыщенный раствор А в В.

Любой точке под кривой EMKNL (например, точке С) соответствует гетерогенная (двухфазная) система. Чтобы найти состав фаз, находящихся в равновесии, через точку С проводят ноду (конноду). Линия (MN), соединяющая точки сопряженных (равновесных между собой) фаз, называется нодой (коннодой). Точка С называется фигуративной и отражает состав двухкомпонентной системы. Массу соравновесных фаз, на которые распадается гетерогенная система в точке С, можно рассчитать по правилу рычага:

Вопрос о взаимной растворимости двух жидкостей представляет большой теоретический и практический интерес. В отношении взаимной растворимости жидкостей часто применяется эмпирическое правило: подобное растворяется в подобном, т.е. полярные вещества растворяются в полярных растворителях; неполярные вещества – в неполярных растворителях.

Трехкомпонентные системы.

Взаимная растворимость трех жидкостей

Существует большое число вариантов взаимной растворимости в системах, состоящих из трех жидкостей. В данной работе рассмотрен один из типов таких систем, для которого компоненты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Один из типов тройных систем взаимно ограниченно растворимых жидкостей

Компонент А	Компонент В	Компонент С
Ацетон, метиловый спирт, этиловый спирт, уксусная кислота	Бензол, толуол, хлороформ, четыреххлористый углерод, ксилол	Вода

Два компонента В и С ограниченно растворимы друг в друге, а остальные две пары компонентов (А-В и А-С) неограниченно растворимы друг в друге.

Состав трехкомпонентных систем при постоянном давлении и постоянной температуре изображают треугольником Гиббса-Розебома (рисунок 11).

Рисунок 11 – Треугольник Гиббса-Розебома для выражения состава трехкомпонентных систем

Этот треугольник является основанием объемной диаграммы растворимости. Приведем некоторые свойства треугольника.

1. Треугольник Гиббса-Розебома является равносторонним.

2. Вершины треугольника отвечают содержанию в системе 100% каждого из компонентов А, В, и С.

3. Точки, расположенные внутри треугольника выражают составы трехкомпонентных систем. Точки расположенные на каждой из сторон треугольника, показывают состав двухкомпонентных систем.

4. На стороны треугольника наносят масштаб, для чего каждую сторону делят на десять равных частей и через эти деления проводят линии, параллельные каждой из сторон треугольника (масштабная сетка).

5. Прямые, параллельные каждой из сторон треугольника, делят перпендикуляры, опущенные из каждой вершины треугольника на противоположную сторону (высота треугольника), на десять равных частей. На рисунке 11 представлен перпендикуляр АD.

Таким образом, каждый перпендикуляр принимают за 100% в единицах масштаба.

6. Сумма длин перпендикуляров, опущенных из любой точки, лежащей внутри равностороннего треугольника, на его стороны, есть величина постоянная, равная длине высоты этого треугольника и равная 100%. На рисунке 11 перпендикуляр АD = аb + аr + as = 100%.

7. Сумма отрезков прямых, проведенных через любую точку, лежащую внутри равностороннего треугольника параллельно каждой стороне этого треугольника, есть величина постоянная, равная длине стороны треугольника и равная 100%. На рисунке 11 такими отрезками являются ma, aP, aK, проведенные из точки а на плоскости треугольника ma + aP + aK = 100%. Сумма этих трех отрезков равна также длине каждой стороны треугольника.

8. Все точки, лежащие на прямой, параллельной данной стороне треугольника, содержат одно и то же количество компонента, противолежащего этой стороне. Так, все точки, лежащие на линии МН, содержат 10% компонента А.

9. При перемещении фигуративной точки по линии RА из точки R к вершине А в системе увеличивается количество компонента А от нуля в точке R до 100% в вершине треугольника.

10. Точки, лежащие на прямой AR, проходящей через вершину треугольника А, изображают составы систем с постоянным соотношением концентраций двух других компонентов B и С. В данном случае в любой точке на прямой AR соотношение между компонентами B и С равно 3 к 7.

Существуют два метода определения состава трехкомпонентной системы – метод Гиббса и метод Розебома.

По методу Гиббса за 100% принимают длину перпендикуляра, опущенного из вершины треугольника на его противоположную сторону. Из точки, лежащей на плоскости треугольника, опускают перпендикуляры на каждую из сторон треугольника. На рисунке 11 это точка а и три перпендикуляра: аb, аr, аs. По методу Гиббса количество данного компонента в данной точке равно длине перпендикуляра, противолежащего данному компоненту. Длину перпендикуляра берут в единицах масштаба. Состав системы в точке а следующий: компонента А = аs = 29%; компонента В = аr = 45%; компонента С = аb = 26%. Сумма количеств каждого из трех компонентов в точке а составляет 100% и равна длине перпендикуляра АD: аs + аr + аb = АD = 100%.

По методу Розебома за 100% принимают длину стороны правильного треугольника. Через точку а проводят прямые, параллельные каждой из сторон треугольника. Состав системы в точке, а можно найти на любой стороне треугольника по длинам трех отрезков, на которые эти параллельные линии разделили данную сторону. Найдем состав системы в точке, а по стороне АС: компонента A = NC = 29%; компонента В = РN = 45%; компонента С = АP = 26%. Состав системы можно найти по длине отрезков, проведенных параллельно каждой стороне треугольника из точки а: количество компонента А = аК= FK = mВ = NC = 29%; количество компонента В = аP = PN = KC = nA = 45%; количество компонента С = mа = mn = ВF = PА = 26%. Сумма количеств каждого из трех компонентов в точке а составляет 100% и равна длине стороны треугольника.

Литература

 1. Курс физической химии / Под редакцией Я. И. Герасимова. – М.: Химия. Т.1. 1970. – С.175-195, 329-336, 377-381, 398-411

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1973. – С.170-172, 189-202.

3. Киреев В.А. Курс физической химии. – М.: Химия, 1975. – С.322-330, 345-354, 363-407.

.