BADANIE RÓWNOWAGI FAZOWEJ W UKŁADZIE TRÓJSKŁADNIKOWYM CH₃COOH-H₂O-CHCl₃

Maksymalna liczba faz w układzie trójskładnikowym wynosi 5. Jako pięciofazowy układ może istnieć jedynie w ściśle sprecyzowanych warunkach temperatury i ciśnienia. Jeżeli dodatkowo ustali się arbitralnie wartość temperatury, liczba faz, jakiej możemy się spodziewać w układzie, zmniejszy się do trzech. Istnienie w układzie trójskładnikowym czterech czy pięciu faz jest możliwe w pewnych szczególnych przypadkach; zazwyczaj będziemy mieli do czynienia z układem jedno-, dwu- lub trójfazowym.

Skład układu trójskładnikowego przedstawia się zazwyczaj posługując się trójkątnym układem współrzędnych, zaproponowanym przez Gibbsa. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki reprezentują czyste składniki, boki-układy dwuskładnikowe, a pole trójkąta-układy trójskładnikowe.

Mówimy, że trzy ciecze wykazują całkowitą rozpuszczalność wzajemną (lub całkowitą mieszalność), jeżeli zmieszane w jakimkolwiek stosunku tworzą jedną fazę ciekłą-roztwór trójskładnikowy. W takim przypadku dowolny punkt w polu trójkąta stężeń, lub na jego bokach, przedstawia układ jednofazowy.

W wielu układach występuje jedynie ograniczona rozpuszczalność. Zazwyczaj spośród trzech cieczy, nazwijmy je A, B, i C, ograniczoną rozpuszczalność przejawia bądź jedna para cieczy (A i B), bądź dwie pary cieczy (np. A i B oraz A i C), bądź też zachodzi ona w obrębie każdej z trzech par (A i B, B i C oraz A i C).

Zagadnienie składu dwóch współistniejących faz ciekłych w układzie trójskładnikowym jest przedmiotem prawa podziału podanego przez W. Nernsta. Niech dwie ciecze, 1 i 2, zupełnie wzajemnie nierozpuszczalne tworzą po zmieszaniu dwie warstwy ciekłe, będące praktycznie czystymi cieczami 1 i 2. Jeżeli do układu tego dodamy pewną ilość (A₁) trzeciego składnika, ciekłego lub stałego, rozpuszczalnego w obu cieczach, pojawi się on w obu warstwach tworząc roztwory A'₁ i A”₂. Stężenie składnika 3 w tych roztworach będzie określone konodą przechodzącą przez punkt A₁. Dla innej ilości dodanego składnika 3 (A₂, A₃,...) składy otrzymanych roztworów będą inne (A'₂, A₂, A'₃,A₃,...). Załóżmy, że roztwory składnika 3 w cieczach 1 i 2 można traktować jako roztwory idealne, rozcieńczone. Warunkiem równowagi między roztworami A' i A" jest równość potencjału chemicznego składnika 3 w obu fazach:

Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy:

Wielkość po prawej stronie równania jest funkcją temperatury (i, w niewielkim stopniu, funkcją ciśnienia), nie zależy natomiast od stężenia składnika 3. Oznaczając:

otrzymuje się znane prawo podziału składnika między dwie fazy ciekłe:

,

gdzie: K(T)-współczynnik podziału.

Ilustracja prawa podziału Nernsta.

WYKONANIE ĆWICZENIA

Do czystych i osuszonych butelek dodajemy wody i kwasu octowego w następujących proporcjach:

Woda [cm^3]	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
Kwas octowy [cm^3]	-	1	2	3	4	5	6	7	8	9

Pomiar wykonujemy w temperaturze 25 ^oC. Następnie miareczkujemy roztwory wodne kwasu octowego chloroformem, aż do pojawienia się pierwszego trwałego zmętnienia.

WNIOSKI

W ćwiczeniu uzyskano punkty, których współrzędne stanowią zawartość procentową poszczególnych składników układu H₂O-CHCl₃-CH₃COOH wyznaczają krzywą ograniczającą obszar dwufazowy od jednofazowego. Pod krzywą znajdują się dwie fazy: I - woda z dodatkiem chloroformu, II - roztwór chloroformu w wodzie, obszar ten odpowiada małej zawartości kwasu octowego. Nad krzywą znajduje się obszar jednofazowy.

Dodanie do dwóch substancji rozpuszczalnych wzajemnie w ograniczonym zakresie (H₂O, CHCl₃) substancji w nich rozpuszczalnej (CH₃COOH) powoduje zwiększenie wzajemnej ich rozpuszczalności, aż do osiągnięcia punktu homogenizacji, składy obu współistniejących faz wyrównują się (układ jednofazowy).

Z wykresu można odczytać rozpuszczalność wody w chloroformie 1:99 oraz rozpuszczalność CHCl₃ w H₂O 1,5:98,5 (wartości są porównywalne z wykresami w literaturze).

Wartości rozpuszczalności chloroformu w wodzie 0,82 g CHCl₃ w 100 g H₂O (temp 20 ^oC), czyli % wag. CHCl₃ = 0,81 %, w porównaniu do otrzymanej w doświadczeniu
1,48 % (temp 25 ^oC), co może być spowodowane inną temperaturą pomiarów (wzrost rozpuszczalności). Odstępstwa punktów od krzywej są spowodowane nie dokładnym miareczkowaniem.

---