22
ZALEśNOŚĆ PRĘZNOŚCI PARY OD TEMPERATURY -
DESTYLACJA
WSTĘP
Zgodnie z regułą faz w miarę wzrostu liczby składników w układzie, zwiększa się
równieŜ liczba stopni swobody. Układ utworzony z mieszaniny dwóch cieczy
i pary pozostającej z nią w równowadze wykazuje dwa stopnie swobody.
Równowagę tę moŜna przedstawić graficznie w układzie dwóch współrzędnych,
jeŜeli zachowa się stałość pozostałych parametrów.
ZaleŜność występującą między parametrami: temperaturą (T), ciśnieniem (p),
ułamkiem molowym składników cieczy (x) i ułamkiem molowym składników w
fazie gazowej (y) moŜna rozpatrywać w następujących współrzędnych:
p x
T
( )
- zaleŜność pręŜności pary nasyconej od składu cieczy w warunkach
izotermicznych
T x
p
( )
- zaleŜność temperatury wrzenia roztworu od jego składu w
warunkach izobarycznych
y x
T
( )
- zaleŜność składu pary od składu cieczy w stałej temperaturze
y x
p
( )
- zaleŜność składu pary od składu cieczy w warunkach stałego
ciśnienia
Zgodnie z prawem Daltona na całkowitą pręŜność pary p nad roztworem cieczy A
i B składają się cząstkowe pręŜności par składników p
A
i p
B
.
p
p
p
A
B
=
+
(4.1)
Uwzględniając odpowiednie ułamki molowe y
A
i y
B
składnika A i B w parze,
moŜna napisać:
A
A
py
p
=
oraz
B
B
py
p
=
(4.1)
W przypadku gdy ciecze A i B tworzą roztwór doskonały, ilościową zaleŜność
pręŜności pary nasyconej substancji od jej stęŜenia w cieczy w warunkach
izotermicznych p(x)
T
określa prawo Raoulta. Dla roztworów dwuskładnikowych
otrzymuje się następujące związki:
23
p
p
x
A
A
A
=
⋅
0
oraz
p
p
x
B
B
B
=
⋅
0
(4.2)
gdzie
p
p
A
B
0
0
,
oznaczają pręŜności par substancji A i B w stanie czystym.
Mając na uwadze równość
x
x
A
B
+
=
1
(4.3)
Równania te prowadzą do następującej zalęŜności liniowej:
p
p
x
p
p
B
A
A
B
=
+
−
0
0
0
(
)
(4.4)
Rys. 4.1 Sumaryczne i cząstkowe pręŜności par nad roztworami doskonałymi.
Układ współrzędnych p(x)
T
Jak juŜ wspomniano skład pary jest z reguły róŜny od składu cieczy, co
przedstawić moŜna na wykresie fazowym (Rys. 4.2)
24
Rys. 4.2 Wykres fazowy dla roztworów doskonałych.
Temperatura wrzenia roztworu zaleŜy od jego składu i zmienia się wzdłuŜ krzywej
zwaną krzywą wrzenia. Linia określająca skład pary nad odpowiednią cieczą w
stanie równowagi obu faz nosi nazwę krzywej rosy.
Na podstawie takich wykresów moŜna przewidzieć skład cieczy i pary
w określonych warunkach temperatury i ciśnienia, co ma duŜe znaczenie
w technice destylacyjnej stosowanej do oczyszczania i rozdzielania mieszanin.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywych destylacyjnych dla układu
dwuskładnikowego - skład roztworu i skład par nad tym roztworem jako funkcja
temperatury wrzenia.
APARATURA, SZKŁO
1. Refraktometr Abbego.
2. Aparatura szklana do pomiarów temperatury wrzenia:
•
kolba destylacyjna,
•
nakładka - chłodnica i gniazdo do termometru,
•
termometr.
3. Statyw z łapą i łącznikiem.
4. Łaźnia elektryczna z przewodem.
5. Autotransformator.
6. Strzykawka do pobierania próbek kondensatu.
25
7. Zlewka 50 ml z podziałką.
8. Zarodniki wrzenia (porcelanki).
9. Kuweta porcelanowa.
ODCZYNNIKI
1. Próbki ( 7 szt.) mieszanin chlorobenzenu i acetonu o róŜnych proporcjach.
WYKONANIE ĆWICZENIA
1. Pomiar współczynnika załamania światła.
Zmierzyć współczynniki załamania światła w siedmiu próbkach ( próbki 1 i
7 są czystymi indywiduami chemicznymi: chlorobenzen i aceton). KaŜdy
pomiar współczynnika załamania światła powtórzyć 3 razy i w obliczeniach
posługiwać się wartością średnią (odczytać z dokładnością do 4 miejsca po
przecinku).
2. Pomiar temperatury wrzenia.
-
nalać do kolbki ok. 20 ml odpowiedniej mieszaniny,
-
odkręcić kran doprowadzający wodę do chłodnicy,
-
ustawić autotransformator na 150 V,
-
przeprowadzić kolejne pomiary temperatur wrzenia.
Zakres temperatur wrzenia 56
°
C - 132
°
C.
3. Pomiar współczynnika załamania światła kondensatów.
Przy poszczególnych destylacjach odczekać aŜ ustali się temperatura wrzenia,
a następnie pobrać strzykawką przez chłodnicę próbkę kondensatu w celu
zmierzenia współczynnika załamania światła i tym samym określenia składu
kondensatu w danej temperaturze wrzenia.
4. Po kaŜdorazowej destylacji:
podnosi się aparaturę szklaną na statywie w górę, usuwa łaźnię elektryczną
i czeka kilka minut w celu ochłodzenia zawartości kolby, którą następnie
przelewa się z powrotem do butelki, z której pochodzi próbka.
Następną próbkę wlewa się do suchej kolbki - nie zapominać o nowych
zarodnikach wrzenia !!!.
26
UWAGA!!!
Z otrzymanymi próbkami obchodzić się ostroŜnie (mieszaniny łatwopalne) !
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Z wykresu krzywej wzorcowej (dołączonej na końcu opracowania) określić
skład próbek wyjściowych i próbek kondensatu.
2. Na podstawie uzyskanych wyników (które naleŜy zestawić w tabeli) wykreślić
krzywe destylacji w układzie współrzędnych: temperatura - ułamek molowy
składników.