Badanie równowagi fazowej w układzie trójskładnikowym

CH₃COOH - H₂O - badana ciecz.

I. Zagadnienia teoretyczne.

Faza część układu jednolita pod względem chemicznym i fizycznym.

Faza może składać się z dowolnej dużej lub małej ilości substancji i może stanowić jedną całość lub może być podzielona na mniejsze jednostki. Wymiary fragmentów fazy muszą być większe od molekularnych.[1]

Liczba faz w układzie (F) - ze względu na nieograniczoną rozpuszczalność wzajemną gazów , w dowolnym układzie może istnieć tylko jedna faza gazowa. Dla cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych układ zawiera kilka faz ciekłych. Substancje stałe o różnym składzie chemicznym lub różniące się strukturą krystaliczną stanowią różne fazy.[1]

Liczba składników (S) - najmniejsza liczba niezależnie zmiennych cząstek chemicznych potrzebna do określenia składu każdej fazy układu. Definicja ta jest prawdziwa przy założeniu ,że w danym układzie występują wszystkie możliwe równowagi chemiczne i fizyczne.

S zależy od warunków w jakich układ się znajduje.[1]

Liczba stopni swobody (Φ) - najmniejsza liczba parametrów intensywnych , które trzeba określić dla wyznaczenia wartości wszystkich pozostałych parametrów intensywnych. Często Φ definiuje się jako liczbę właściwości intensywnych , które można niezależnie zmieniać nie powodując zmiany liczby układu faz.[1]

Właściwości intensywne - są to parametry niezależne od ilości fazy ( np. temperatura , ciśnienie , gęstość).[1]

Właściwości ekstensywne - są to parametry zależne od ilości fazy ( np. masa , objętość fazy).[1]

Reguła faz Gibbsa - określa liczbę stopni swobody układu zawierającego S składników i F faz :

Φ = S - F + 2 [1]

Rys. Przedstawienie składu układu trójskładnikowego.[1]

A A , B , C - wierzchołki trójkąta odpowiadające

0%C 100%A czystym składnikom A, B, C.

Boki trójkąta leżące naprzeciw wierzchołków A,

20%C 80%A B, C odpowiadają nieobecności składników

odpowiednio A, B, C.

40%C 60%A Przechodzące przez trójkąt linie poziome określają

wzrastające zawartości procentowe składnika A od

60%C 40%A zera przy podstawie do 100% przy wierzchołku A.

Zawartości procentowe składników B i C

80%C 20%A wyznaczone są przez odległości między dwoma

bokami trójkąta a odpowiednimi wierzchołkami.

100%C 0%A

0%B 20%B 40%B 60%B 80%B 100%B

C B

1

II. Część doświadczalna.

1. Aparatura i odczynniki :

• termometr,

• 10 butelek o pojemności 50 ml

• 2 butelki o pojemności 150 ml

• biureta

• pipeta kalibrowana o pojemności 10 ml

• zlewka

• statyw

• kwas octowy

w doświadczeniu użyto:

Kwas octowy 99,5%

Data produkcji: 1998-09-98. Okres gwarancji 2-lata (odczynnik przeterminowany o 2 lata).

Producent Przedsiębiorstwo Przemysłowo-Handlowe STANDARD

• woda destylowana

• chloroform

Data produkcji: 2000 r.

Producent Przedsiębiorstwo Przemysłowo-Handlowe P.I.S.W Odczynniki chemiczne

2. Wykonanie ćwiczenia:

• Czyste i osuszone butelki o pojemności 50 ml wypełniono wodą destylowaną i kwasem octowym w proporcjach objętościowych podanych na wydruku programu GIBBS

(tablica objętości cieczy A i B).

• Wodne roztwory kwasu octowego, miareczkowano roztworem chloroformu do momentu, pojawienia się pierwszego trwałego zmętnienia przy którym odczytywano objętości zużytego chloroformu (dane podane na wydruku programu GIBBS -tablica objętości cieczy C).

3. Warunki pomiarów:

- Ciśnienie ogólne, zewnętrzne; 1001 hPa

• Temperatura zewnętrzna około 9⁰C

• Temperatura w laboratorium: 24 ⁰C

4. Wyniki pomiarów:

- Obliczenia wartości stężenia (w procentach wagowych) wykonano programem GIBBS.

Wyniki obliczeń przedstawia wydruk programu dołączony do sprawozdania.

- Graficzny obraz udziału składników w roztworze przedstawia wykres nr 3.

5. Wyznaczenie linii wzajemnej rozpuszczalności trzech cieczy w trójkącie stężeń Gibbsa

przedstawia wykres nr 1 wykonany programem Microcal Origin 5.0 na licencji P.Rz. PKWCH.

III. Interpretacja wyników :

1.Analiza wyników:

Przeprowadzone doświadczenie miało na celu wyznaczenie linii wzajemnej rozpuszczalności trzech cieczy w trójkącie stężeń Gibbsa. Sporządzony wykres przedstawia układ trójskładnikowy, w którym tylko jedna para cieczy wykazuje ograniczoną rozpuszczalność (woda-chloroform). Krzywa graniczna (binoda) rozgranicza obszar jednofazowy od obszaru dwufazowego (współistnienia dwóch faz). Wszystkie roztwory określone przez punkty leżące poza krzywą równowagi tworzą układy jednofazowe. Krzywa binodalna jest krzywą izotermiczną na której przebieg i kształt wpływa:

• zmiana temperatury

• zmiana wzajemnej rozpuszczalności składników.

Analizując wyniki pomiarów można stwierdzić iż wzajemna rozpuszczalność wody i chloroformu wzrasta po dodaniu kwasu octowego. W pierwszym pomiarze miareczkowano bez udziału kwasu octowego wodę chloroformem, zmętnienie i powstanie dwóch faz nastąpiło szybko, przy małej ilości zużytego chloroformu. Procentowy udział składników w roztworze wynosił:

98,52% wody, 0% kwasu octowego, 1,48% chloroformu.

W drugim pomiarze po dodaniu kwasu octowego zawartość chloroformu w roztworze dwufazowym wzrasta i wynosi 2,90%. Analizując pomiar drugi z szóstym w którym wzięto do doświadczenia objętość wody i kwasu w stosunku 1:1 (5 cm³ wody i 5 cm³ kwasu) po miareczkowaniu udział chloroformu w roztworze wynosił 8,69% co świadczy, że wraz ze wzrostem zawartości kwasu octowego w roztworze wzrasta rozpuszczalność wzajemna wody i chloroformu.

Otrzymane wyniki nieznacznie różnią się z danymi literaturowymi^[2] np. dla pomiaru pierwszego

• literaturowa zawartość procentowa składników jest następująca:

99,16% woda, 0% kwas octowy, 0,84% chloroform

• zawartość składników otrzymana w doświadczeniu:

98,52% woda, 0% kwas octowy, 1,48% chloroform.

Na różnice pomiędzy pomiarami literaturowymi a otrzymanymi doświadczalnie może mieć wpływ:

• temperatura w której dokonano oznaczeń (w danych literaturowych nie podana jest temperatura w czasie którego przeprowadzono doświadczenie).

• błędy wynikające z niedokładności wykonania doświadczenia.

W oparciu o uzyskane wyniki (pomimo braku temperatury dla wartości literaturowych) wykonana linia wzajemnej rozpuszczalności trzech cieczy (wykres nr 1) w niewielkim stopniu odbiega

od wykresu literaturowego (wykres nr 2). Można więc przyjąć, że doświadczenie wykonano poprawnie.

2. Analiza błędów:

• błąd paralaksy biurety,

• Użycie do doświadczenia kwasu octowego 99,5 % spowodowane brakiem w laboratorium 100%. Otrzymany 99,5% roztwór kwasu octowego był odczynnikiem przeterminowanym co oprócz stężenia procentowego wpływa na wyniki pomiarów.

• Niedokładność związana z odmierzaniem reagentów,

• Błąd w oznaczeniu punktu PK (punkt końcowy miareczkowania). Wynikający z wizualnej metody określania dostatecznego wyodrębnienia dwóch faz. Związany z indywidualnym postrzeganiem zmętnień roztworu.

IV. Literatura:

[1] Gordon M. Barrow „Chemia fizyczna” , PWN , Warszawa 1971 (tłumaczenie z języka angielskiego)

[2] M. Kroh J. Łaźniewski „Chemia fizyczna“ , PZWL Warszawa 1967

Stałe fizykochemiczne potrzebne do obliczeń odczytano z „Poradnika fizykochemicznego” ,

WNT , Warszawa 1974

3

---