Badanie zależności: temperatura wrzenia - skład

dwuskładnikowej mieszaniny azeotropowej

Niektóre roztwory zachowują się w sposób prosty i zgodny z pewnymi ogólnymi zasadami, są to roztwory doskonałe. Spełniają one prawo Raoulta:

gdzie: p_A, p_B - oznaczają prężności składników A i B nad roztworem zawierającym ułamki molowe x_A, x_B tych składników,

p_A⁰, p_B⁰ oznaczają prężności czystych składników.

Azeotropia jest zjawiskiem występującym w układach złożonych z wieloskładnikowego roztworu ciekłego i pary nad tym roztworem, nie spełniających prawa Raoulta. Roztwór o składzie ściśle azeotropowym (azeotrop) wrze w stałej temperaturze, a para będąca z nim w równowadze ma ten sam skład, co roztwór.

Wykres prężności pary - skład dla roztworów niedoskonałych mogą wykazywać minimum na krzywej prężności pary, możliwe jest również występowanie maksimum na tej krzywej. Dodatnie azeotropy (np. woda- etanol, benzen - metanol) mają temp. wrzenia niższą aniżeli czyste składniki, natomiast ujemne azeotropy (np. aceton - chloroform, woda - kwas azotowy) - wyższą. Składniki azeotropów można rozdzielić, stosując kolumny destylacyjne pracujące na przemian pod różnymi ciśnieniami. Nie można natomiast rozdzielić takiej mieszaniny na składniki drogą prostej destylacji.

Stwierdzono doświadczalnie, że dla roztworów rozcieńczonych prężność pary rozpuszczalnika przebiega w sposób niemal doskonały. Można więc stwierdzić, że nawet w przypadku roztworów niedoskonałych prężność par rozpuszczalnika nad roztworami rozcieńczonymi stosuje się do prawa Raoulta przy zbliżaniu się do rozcieńczenia nieskończenie wielkiego.

Ponieważ ciśnienie cząstkowe gazu jest proporcjonalne do liczby moli gazu w jednostce objętości, ułamki molowe składników w parze wyrażają wzory:

i

Zatem stosunek ułamków molowych umożliwia obliczenie składu pary znajdującej się w równowadze z roztworem doskonałym o dowolnym składzie.

Dla roztworów niedoskonałych skład pary znajdującej się w równowadze z danym roztworem należy obliczyć opierając się na doświadczalnie wyznaczonych prężnościach pary obu składników.

Opracowanie wyników

1. wyznaczenie krzywej wzorcowej

Objętość benzenu [cm^3]	Objętość metanolu [cm^3]	współczynnik załamania światła n
0	10	1.3349 1.3348 1.3350	1.3349
2	8	1.3602 1.3602 1.3602	1.3602
4	6	1.3979 1.3988 1.3976	1.3981
6	4	1.4330 1.4331 1.4338	1.4333
8	2	1.4688 1.4700 1.4682	1.4690
10	0	1.5031 1.5061 1.5062	1.5062

2. pomiary temperatur wrzenia t_wrz oraz współczynnika załamania światła n.

lp	Objętość benzenu [cm^3]	Objętość metanolu [cm^3]	Temperatura wrzenia roztworu twrz [^oC]	nkondensatu
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.	25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 0.0 5.00 10.0 15.0	0.0 0.25 0.5 1.0 3.0 5.0 10.0 25.0 25.0 25.0 25.0	80.00 73.80 67.80 60.80 59.10 58.80 59.00 65.40 61.60 59.40 58.80	1.5051 1.4628 1.4627 1.4571 1.4375 1.4305 1.4280 1.3349 1.3910 1.4109 1.4296

3. dane tablicowe:

nazwa substancji	współczynnik załamania światła	temperatura wrzenia [ °C]
benzen	1.50124	80.9
metanol	1.33050	64.7

4. wyznaczone względne i bezwzględne błędy współczynników załamania światła:

	błąd względny	błąd bezwzględny
benzen	0,005	0.330 %
metanol	0.004	0.331 %

5. wyznaczone względne i bezwzględne błędy temperatur wrzenia:

	błąd względny	błąd bezwzględny
benzen	0.9	1.112 %
metanol	0.7	1.082 %

6. wykreślenie wykresów na podstawie danych doświadczalnych:

• wykres I przedstawia współczynnik załamania światła w zależności od udziału molowego benzenu w roztworze

• wykres II obrazuje zależność temperatury wrzenia od udziału molowego benzenu w roztworze (linia ciągła) oraz udziału molowego w parze (linia przerywana)

• wykres III jest zależnością udziału molowego benzenu w parze względem udziału molowego benzenu w roztworze.

III. Wnioski i dyskusja błędów

Wartości współczynnika załamania światła otrzymane w ćwiczeniu są bardzo zbliżone do literaturowych, a niewielkie odchylenia mogły być spowodowane błędem odczytu na refraktometrze Abbego, bądź niedokładnym przemyciem szkiełka pomiarowego. Także temperatura wrzenia czystych cieczy nie odbiega znacznie od danych uzyskanych w ćwiczeniu.

Możemy stwierdzić, że nasza mieszanina jest mieszaniną azeotropową, zatem nie stosuje się do prawa Raoulta. Na podstawie wykresu II, obrazującego temperaturę wrzenia w funkcji udziału molowego benzenu w parze i w roztworze oraz na podstawie wykresu III zależności udziału molowego benzenu w roztworze od udziału w parze obserwujemy przecięcie z prostą o wzorze y = f(x), i na tej podstawie można wyznaczyć punkt azeotropowy. Zatem z przecięcia krzywych na wykresie III widać, że punkt ten obserwowany jest przy ułamku molowym benzenu w parze równym 0.47 a temperatura azeotropu zgodnie z wykresem II odpowiada 58ºC dla takich samych ułamków molowych - czyli 0.47 benzenu i 0.53 metanolu.

Odstępstwo doświadczalnych wykresów od literaturowych spowodowane jest błędami podczas wykonywania ćwiczenia. Błędami tymi mogło być np. błędne odczytanie temperatur wrzenia dla poszczególnych mieszanin (często temperatura oscylowała pomiędzy paroma stopniami) lub źle wyznaczony ułamek molowy w roztworze ze względu na błędny odczyt współczynnika załamania światła (badane substancje bardzo szybko parowały a co za tym idzie trudno było wykonać kilka pomiarów destylatu).

- 2 -

---