Исследование перегонки бинарных неограниченно смешивающихся жидкостей

Цель работы.Изучение зависимости
состава пара от состава раствора.
Построение диаграммы фазового равновесия:
температура кипения – состав

(Р = const).

https://www.youtube.com/watch?v=channelUCgppd9ZMGa1Lu1eeA9QZfAQ

Построить
диаграммы фазового равновесия бинарных
систем: ху,
Тху
(Рху),
а также зависимости коэффициентов
активности i,
коэффициентов
распределения кi
и относительной летучести компонентов
от состава жидкой фазы (по легкокипящему
компоненту). Сделать вывод о характере
отклонения системы от идеального
поведения. При наличии азеотропа
определить его тип и параметры.

Система

Условия

равновесия

Данные

ПЖР

1

этантиол
(1) 
пентан (2)

760
мм рт. ст.

[10,
табл. 366]

2

ацетон
(1) 
хлороформ (2)

760
мм рт. ст.

[10,
табл. 167]

3

триметилборат
(1) –

трихлорэтилен
(2)

760
мм рт. ст.

[18]

4

вода
(1) – морфолин (2)

75.2
град. С

[14]

5

95.2
град. С

6

бензол
(1) – гептан (2)

760
мм рт. ст

[9,
табл. 1466]

7

500
мм рт. ст.

8

1-бутанол
(1) – морфолин (2)

90.2,град.
С

[14]

9

110.2
град. С

10

этанол
(1)- пирролидин (2)

60.2
град. С

[15]

11

бутанол
(1) 

65
град. С

[17]

12

диметилформамид(2)

125
град. С

13

винилацетат
(1) – этанол (2)

300
мм рт. ст.

[10,
табл. 331]

14

700
мм рт. ст.

15

вода
(1) – этиленгликоль (2)

760
мм рт. ст.

[9,
табл. 311]

16

хлорбензол
(1) 
нитробензол (2)

95
град. С

[20]

17

ацетон
(1) – метанол (2)

35
град. С

[10,
табл. 216]

18

45
град. С

19

2метил2пропанол
(1) 

хлорбензол
(2)

760
мм рт. ст.

[19]

20

фенол
(1) – бензиловый спирт (2)

75
мм рт. ст

[16]

Математический
вывод третьего закона Вревского
базируется на анализе знаков величин,
входящих в уравнение (32).

Для
положительного азеотропаи,
следовательно,

Konovalov-1.gif

и
имеют одинаковые знаки.

Для
отрицательного азеотропаи,
следовательно,

и
имеют разные знаки.

Приведем
формулировку третьего закона Вревского:
при
увеличении температуры (давления) и для
закрепленного состава жидкой фазы

 для
положительного азеотропа изменение
составов пара и азеотропа происходит
однонаправленно (симбатно);

Первый закон коновалова

 для
отрицательного азеотропа изменение
составов пара и азеотропа происходит
разнонаправленно (антибатно).

Проиллюстрируем
действие закона экспериментальными
данными, представленными в графическом
виде (рис. 6.). В системе с положительным
азеотропом (рис. 6а) при увеличении
температуры (давления) состав азеотропа
обогащается компонентом 1. Для закрепленного
состава жидкой фазы в паровой фазе также
увеличивается содержание этого компонента
( y’{amp}gt; yаз
).

Рис.
6. Графическая интерпретация третьего
закона Вревского

в
системах с положительным (а) и отрицательным
(б) азеотропами.

Р1
{amp}lt; P2
{amp}lt; P3
, T1
{amp}lt; T2
{amp}lt;T3

Действие
законов Вревского ограничено критическими
параметрами.

Первый закон коновалова

Общий
анализ уравнения Ван-дер-Ваальса позволил
дать математическую экспликацию основных
законов парожидкостного равновесия
бинарных систем, полученных экспериментальным
путем.

Приложение

2.2. Описание работы на рефрактометре.

https://www.youtube.com/watch?v=userbiohimick

1. Измерить показатели преломления
бинарной жидкой системы А — В (по
заданию) при различных соотношениях
компонентов.

2. Построить калибровочный график,
выражающий зависимость показателя
преломления исходной жидкой смеси от
ее состава: пД=f(%).

Предлагаем ознакомиться  Последний день больничного по закону

3. Определить температуры кипения
исходных жидкостей и отобрать пробы
дистиллата.

4. Измерить показатель преломления
дистиллата и по калибровочному графику
пД = f(%)найти его
состав.

5. Построить
диаграмму фазового равновесия:
температура кипения — состав пара —
состав жидкости (Р = const).

Измерение
показателя преломления проводят на
универсальном лабораторном рефрактометре
УРЛ — 1, общий вид которого схемати­чески
приводится на рис.13.

Рис.13. Общий вид прибора

1 — нижняя камера с измерительной призмой;
2 — верхняя камера с осветительной
призмой; 3 — осветитель; 4 — лимб компенсации
дисперсии; 5 — окуляр; 6 — рукоятка; 7 —
настроечный механизм; 8 — переключатель
для включения осветителя; 9 — корпус.

Порядок проведения измерений на
рефрактометре

1. Включить прибор в сеть.

2. Включить осветитель переключателем.

3. Открыть верхнюю камеру и на чистую
плоскость измерительной призмы нанести
с помощью трубочки или стеклянной
палочки несколько капель исследуемой
жидкости, не касаясь поверхности призмы.

4. Осторожно закрыть верхнюю камеру.

5. Смещая осветитель 3, направить луч
света в окно верхней камеры.

6. Перемещением рукоятки 6 с окуляром 5
вдоль шкалы вверх и вниз ввести в поле
зрения границу светотени.

7. Вращением рукоятки 4 дисперсионного
компенсатора устранить окрашенность
границы светотени.

https://www.youtube.com/watch?v=channelUCbAlz3Xto6abjPl35fdZoYA

8. Поворотом рычага осветителя добиться
максимально контрастной границы
светотени.

9. Вращением гайки окуляра 5 установить
резкость границы светотени, штрихов
шкалы и перекрестия сетки по глазу
наблюдателя.

10. Перемещая рукоятку 6 с помощью
настроечного механизма 7, подвести
границу светотени к центру перекрестия.

11. Снять показание по левой шкале в
точке ее пересечения с границей
светотени, как это показано на рис.14.

12. Открыть верхнюю камеру и просушить
поверхность струей воздуха

(с помощью груши).

13.
Проложить между поверхностями сложенную
фильтровальную бумагу или ткань (вату).

Рис.14. Отсчет показаний по шкале

Рис.15.
Схема установки

Konovalov-2.png

1 — сосуд с раствором; 2 — термометр; 3 —
обратный холодильник; 4 — электроплитка;
5 — сосуд для дистиллата.

Перечень таблиц и графиков к отчету

Для построения калибровочного графика
по оси ординат отклады­вают показатель
преломления смесей, а по оси абцисс —
их состав. График строят на миллиметровой
бумаге и выбирают для показателей
преломления такой масштаб, чтобы угол
между калибровочной кривой и осью
абцисс составлял около 45.
Пользуясь этой зависимостью можно по
показателю преломления раствора
неизвестной концентрации определить
его состав в объемных процентах.

1) Таблица экспериментальных и расчетных
данных (таблица 1).

2) График «показатель преломления (пД)
— состав (%)» (калибровочный).

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

3) Диаграмма состояния tкип-состав пара — состав жидкости (Р =
const).

1. Что такое давление насыщенного пара
?

2. Идеальные растворы. Закон Рауля.

3. Неидеальные растворы. Положительные
и отрицательные отклонения от закона
Рауля.

4. Законы
Коновалова. Что называется азеотропной
смесью ?

5. Диаграммы «давление – состав»
(Т=const) и «температура кипе­ния-состав»
(Р=const).

6. Анализ фазовых состояний с помощью
диаграмм. Правило рычага.

7. Правило фаз Гиббса и его применение
для анализа фазового сос­тояния.

8. Разделение неограниченно смешивающихся
жидкостей методом пере­гонки. Простая
и фракционная перегонка. Ректификация.

9. Экспериментальное построение диаграммы
«температура кипения — состав» (Р =
const).

2.3.2. Измерение температур кипения жидких смесей

Далее переходят к измерению температур
кипения исходных жид­ких смесей на
установке, схема которой приведена на
рис. 15. В сосуд для кипения 1 помещают
кипятильные камешки (2-3 кусочка пемзы
или фарфора), а затем заливают исследуемую
жидкость в таком количестве, чтобы
уровень ее был примерно на 2-3 мм ниже
ртутного резервуара термометра 2.

Предлагаем ознакомиться  Незаконная торговля спиртом

Присоединяют обратный холодильник 3,
в рубашку которого должна подаваться
холодная вода из водопроводной сети.
Холодильник можно поворачивать на
шлифе таким образом, чтобы в вертикальном
его положении сконденсированный пар
(дистиллат) стекал в сосуд для кипения,
а при повороте вниз из него может быть
отобрана проба дистиллата.

{displaystyle (1-x)dln p_{1}=-xdln p_{2}}

После подготовки установки и проверки
герметичности соединений производят
нагрев сосуда с жидкостью на воздушной
бане с помощью электроплитки 4 (плитка
не должна касаться дна сосуда).

Растворы нагревают при вертикально
поставленном холодильнике до установления
постоянной температуры кипения, которую
отмечают и заносят в таблицу. После
этого поворачивают холодильник и
отбирают в небольшой сосуд (пробирку)
5 несколько капель раствора. Этот сосуд
сразу закрывают пробкой.

Температуру
кипения снова отмечают. Если температура
кипения при отборе пробы изменится,
следует вычислить ее среднее значение.
После отбора пробы дистиллата плитку
отставляют в сторону от сосуда, а
холодильник переводят в вертикальное
положение. Оставшуюся жидкость после
охлаждения сосуда с раствором до
комнатной температуры сливают в
специальную емкость.

Использование обратного холодильника
позволяет получить равновесную систему
из кипящей жидкости и насыщенного пара
без потери компонентов исходной сме­си.
Отбор небольшой порции конденсата
(дистиллата) проводят после установления
температуры кипения. При таком порядке
работы изме­нения состава жидкости
во время опыта доводится до минимума.
Если отобрать больше дистиллата, то
меняется состав раствора и резко
изменяется температура кипения.

Проводят нагревание жидких исходных
смесей различных составов с отбором
небольшой порции дистиллата температуру
кипения до и после отбора отмечают и
заносят в таблицу 1. Дистиллат используют
для определения состава пара. С этой
целью измеряют показатели преломления
собранного дистиллата и, пользуясь
калибровочным гра­фиком, находят
состав пара. Данные по показателям
преломления пДи составу
пара также вносят в таблицу 1.

https://www.youtube.com/watch?v=ytdevru

2.3.3.
Построение диаграммы фазового равновесия:
температура кипения — состав пара –
состав жидкости (Р = const)

Опытные данные, полученные при
исследовании бинарной системы жидкость
— пар (табл.1) используют для построения
диаграммы фазового равновесия Tкип.
— состав (Р = const). Для этого по оси ординат
откладывают среднюю температуру кипения
(если она нес­колько изменилась до и
после отбора пробы).

На оси абцисс
откла­дывают составы жидкости и пара
(в об. %). Каждой температуре (кроме чистых
компонентов) будут соответствовать
две точки, опре­деляющие состав
жидкости и состав равновесного с ней
пара. Соеди­няя соответствующие
точки, получают две кривые: 1)Ткип-
состав жидкости (кривая жидкости) и 2)Ткип- состав пара (кривая
пара).

При построении
диаграммы нужно помнить, что составы
пара и жидкости будут совпадать (а
кривые жидкости и пара сливаться) не
только для чистых компонентов, но и для
азеотропных смесей, если таковые имеются
в исследуемой системе.

На основании диаграммы состояния
сделайте выводы о подчинении или
неподчинении системы закону Рауля.
Оцените знак отклонений, если они есть
в системе. Определите наличие азеотропной
смеси и найдите ее состав.

Условные обозначения

x
— состав жидкой фазы, мольн.% (мольн. д.);

y
— состав паровой фазы, мольн.% (мольн.
д.);

Р
– давление, мм рт. ст.;

Т
— температура, град. К;

{displaystyle (1-x){frac {dp_{1}}{p_{1}}}=-x{frac {dp_{2}}{p_{2}}}}

t
— температура, град. С;

Предлагаем ознакомиться  Профсоюзные взносы учет

 —
коэффициент активности компонента;

g-
молярная энергия Гиббса, кал/моль;

s-
молярная энтропия, кал/(мольград.)
;

v
– молярный объем, см3
/моль;

 —
химический потенциал

L
— молярная теплота испарения, кал/моль;


парциальная молярная избыточная
энтальпия компонента, кал/моль;

x

Li0

молярная теплота испарения чистого
вещества, кал/моль;

 —
разность величин;

ПЖР
— парожидкостное равновесие;

ТСР
— технологическая схема разделения.

Список рекомендуемой литературы

1. Годиев И.Н., Краснов К.С., Воробьев Н.К.
и др. Физическая химия Уч.пособие для
хим.-тех.спец.вузов/; Под ред. К.С.Краснова.-
М.: Высш.школа, 1982.- 687 с.

2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая
химия.- М.: Высшая школа, 1988.- 496 с.

3. Киреев В.А. Курс физической химии.-
М.: Химия, 1975. — 776 с.

Галина Дмитриевна
Бахтина

Жанна Николаевна
Малышева

Анатолий Григорьевич
Кокшаров

РАВНОВЕСИЕ ЖИДКОСТЬ
— ПАР В БИНАРНЫХ ЖИДКИХ СИСТЕМАХ

Методические
указания к лабораторной работе № 6 по
физической химии для студентов
направлений 5508 и 5505.

Редактор Е.М.
Богомазова

Темплан 2002 г.,
поз.№_______.

Подписано в
печать____________. Формат 6034
1/16

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrightru

Бумага газетная.
Печать офсетная. Усл.п.л._________.

p_{1}

Уч.-изд.л.______________.
Тираж 300 экз. Бесплатно

Волгоградский
государственный технический университет

400131, Волгоград,
пр. Ленина, 28

Типография
«Политехник» ВолгГТУ

400131, Волгоград,
ул. Советская, 35.

1.2.2. Особенности растворов с отрицательными отклонениями от закона Рауля

FАА {amp}gt; FАВ;FВВ
{amp}gt; FАВ.

Рис.
2. Зависимости парциальных и общего
давлений от состава раствора (положительные
отклонения от закона Рауля)

Примеры растворов с положительными
отклонениями от закона Ра­уля: вода
— метиловый спирт, бензол — ацетон и др.

В этом случае
облегчается переход молекул из жидкой
фазы в газообразную по сравнению с
чистыми жидкостями. Положительные
отклонения наблюдаются при различной
полярности компонентов раствора и
наличии в исходных жидкостях ассоциатов.
При смешении компонентов происходит
разрушение ассоциатов, сопровождающееся
уменьшением размеров частиц в растворе
и образованием свободных молекул.

Это
разрушение требует затрат энергии,
поэтому образование растворов
сопровождается поглощением теплоты
(Н{amp}gt; 0). Так
как разрушение ассоциатов приводит к
менее плотной упаковке молекул, то
часто растворы с положительным
отклонением от закона Рауля образуются
с увеличением объема

https://www.youtube.com/watch?v=c

(V{amp}gt; 0). Теплоты испарения компонентов из
подобных растворов меньше, чем теплоты
испарения чистых компонентов.

FАВ {amp}gt; FАА;FАВ {amp}gt; FВВ..

Рис.3. Зависимости парциальных и общего
давлений от состава раствора (отрицательные
отклонения от закона Рауля)

В этом случае затрудняется переход
молекул в газообразную фазу. Отрицательные
отклонения наблюдаются при наличии
сольватации, при образовании водородных
связей, при возникновении химических
соединений между компонентами раствора.
Образование растворов с отрицательным
отклонением от закона Рауля сопровождается
выделением теплоты (экзотермический
процесс, Н{amp}lt; 0).

Примеры растворов с отрицательными
отклонениями от закона Рауля: вода —
азотная кислота, хлороформ — ацетон,
вода — хлористый водород и др.

При значительных отклонениях от закона
Рауля кривые общего давления могут
проходить через максимумилиминимум, то есть на кривых зависимости
общего давления от состава системы
появляются точки, в которых давление
пара больше, чем давление паров чистого
более летучего компонента (при
положительных отклонениях), или меньше,
чем давление пара чистого менее летучего
компонента (при отрицательных отклонениях)
(рис.4).

https://www.youtube.com/watch?v=http:pisimissed

Рис. 4. Зависимость давления насыщенного
пара от состава неидеального
раствора. а — для системы с максимумом
давления; б — для системы с минимумом
давления.