Część teoretyczna

Reguła faz Gibbsa, zależność pomiędzy liczbą faz w układzie wielofazowym, a  liczbą stopni swobody tego układu:

f = k - s + 2,

gdzie: f - liczba faz, k - liczba niezależnych składników, s - liczba stopni swobody.

Liczba stopni swobody - liczba niezależnych intensywnych parametrów stanu koniecznych do pełnego opisu danego układu. Liczba stopni swobody rośnie ze wzrostem liczby składników i faz, a maleje ze wzrostem liczby równowag międzyfazowych i reakcji chemicznych zachodzących w opisywanym układzie.

Faza - w termodynamice: część układu termodynamicznego jednakowa pod względem właściwości fizycznych i chemicznych. Przejście pomiędzy fazami współistniejącymi w danym układzie wiąże się ze skokową zmianą, co najmniej jednego parametru termodynamicznego.

W ćwiczeniu nr 31, zajmę się układem trójskładnikowym. Skład układu trójskładnikowego przedstawia się zazwyczaj posługując się trójkątnym układem współrzędnych, zaproponowanym przez Gibbsa i Roozebooma. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki reprezentują czyste składniki, boki - układy dwuskładnikowe, a pole trójkąta układy trójskładnikowe. Układy o jednakowej zawartości określonego składnika znajdą się na takim wykresie na linii prostej, poprowadzonej równolegle do boku trójkąta, leżącego naprzeciw wierzchołka reprezentującego dany składnik i odpowiedniej od niej odległości. Z własności tej korzystamy dla lokalizacji punktu odpowiadającego danemu układowi na wykresie. Drugą, często wykorzystywaną własnością takiego wykresu jest, że linia prosta wychodząca z danego wierzchołka w kierunku przeciwległego mu boku reprezentuje układy charakteryzujące się stałą wartością stosunku stężeń obu pozostałych składników. Stosunek stężeń (wyrażonych w procentach wagowych lub w ułamkach czy procentach molowych, zależnie od skali stężeń przyjętej przy sporządzaniu wykresu) jest taki, jak stosunek długości odcinków, na jakie dzieli ta prosta bok przeciwległy danemu wierzchołkowi.

Opis i wykonanie ćwiczenia nr 31.

1. Pierwszym etapem wykonania ćwiczenia jest przygotowanie w 9 kolbach mieszaniny wody i cieczy organicznej KSYLENU w proporcjach podanych przez asystenta .

	Woda [cm^3]	Ksylen [cm^3]	Etanol [cm^3]
1	1	9	9,6
2	2	8	15,5
3	3	7	19,3
4	4	6	21,4
5	5	5	22,6
6	6	4	23,1
7	7	3	22,3
8	8	2	21,4
9	9	1	18,5

2. Kolejnym etapem jest miareczkowanie rozpuszczalnikiem organicznym, aż do zaniku zmętnienia. Wyniki miareczkowania podane są w tabeli powyżej.

3. Przeprowadzenie obliczeń składu wagowego.

Dane; d_Ksylenu = 0,8719g/cm³

d_etanolu = 0,7810g/cm³

d_wody =0,9956g/cm³

Przykład obliczenia m = d * V dla etanolu m = 9,6 cm³ * 0,7810g/cm³ = 7,4976 g

m = d * V dla ksylenu m = 9 cm³ * 0,8719 g/cm³ = 7,8471g

m = d * V dla wody m = 1 cm³ * 0,9956 g/cm³ = 0,9956 g

Przykład obliczenia ułamek wagowy dla wody

Wzór ogólny
=
= 0,06g

Przykład obliczenia ułamek wagowy dla ksylenu

Wzór ogólny
=
=0,48 g

Przykład obliczenia ułamek wagowy dla etylenu

Wzór ogólny
=
= 0,46g

Sprawdzenie; 0,06+0,48+0,46=1

		woda			ksylen			etanol
L.p.	[cm^3]	[g]	ułamek wagowy	[cm^3]	[g]	ułamek wagowy	[cm^3]	[g]	ułamek wagowy
1	1	0,9956	0,06	9	7,8471	0,48	9,6	7,4976	0,46
2	2	1,9912	0,12	8	6,9752	0,43	15,5	12,1055	0,45
3	3	2,9868	0,18	7	6,1033	0,37	19,3	15,0733	0,55
4	4	3,9824	0,24	6	5,2314	0,32	21,4	16,7134	0,62
5	5	4,9780	0,30	5	4,3595	0,27	22,6	17,6506	0,63
6	6	5,9736	0,37	4	3,4876	0,21	23,1	18,0411	0,65
7	7	6,9692	0,43	3	2,6157	0,16	22,3	17,4163	0,66
8	8	7,9648	0,49	2	1,7438	0,11	21,4	16,7134	0,65
9	9	8,9604	0,55	1	0,8719	0,05	18,5	14,4485	0,63

Wnioski.

Celem mojego ćwiczenia jest zastosowanie reguł faz Gibbsa przy badaniu układu trójskładnikowego. Reguła faz wiąże ze sobą liczbę faz, β, liczbę składników niezależnych, α i liczbę stopni swobody, s:

s = α - β + 2

Skład badanego układu trójskładnikowego przedstawię posługując się trójkątnym układem współrzędnych. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki reprezentują czyste składniki (w badanym układzie woda, ksylen, etanol), boki trójkąta układy dwuskładnikowe, a pole trójkąta - układy trójskładnikowe. Oznaczam na wykresie układy o jednakowej zawartości składników (linie proste poprowadzone równolegle do boku trójkąta leżącego naprzeciw wierzchołka reprezentującego dany składnik i w odpowiedniej do niego odległości, zależnej od zawartości składników wagowych na rysunku obliczone składy wagowe mieszanin jednofazowych. Łącząc oznaczone punkty otrzymujemy zależność fazową badanych substancji w stałej temperaturze, zwanej izotermą mieszania.

Mieszając wodę z ksylenem w stosunku 9,5 : 0,5 otrzymałam układ dwufazowy faz ciekłych, złożony z roztworu wody w ksylenie (punkt A), oraz roztworu ksylenu w wodzie (punkt A'), dodanie pewnej ilości etanolu do układu przedstawionego punktem A zmienia jego położenie do punktu A_1. Ilość dodanego etanolu nie jest przypadkowa a wynika z przejścia z układu dwufazowego do jednofazowego. Analogicznie postępuję przy oznaczeniu kolejnych punktów przejścia między fazami dla pozostałych proporcji mieszaniny wody i ksylenu. Łącząc oznaczone punkty otrzymałam linię równowagi. Dzieli ona pole trójkąta na dwa obszary: obszar układów dwufazowych, oznaczony 1, zawarty pomiędzy bokiem trójkąta i linią równowagi, oraz jednofazowy obszar roztworów nienasyconych, oznaczony 2, zawarty pomiędzy linią równowagi i pozostałymi bokami trójkąta.

Z wykresu widzimy, że dodatek etanolu powoduje polepszenie się wzajemnej rozpuszczalności wody i ksylenu, dzięki czemu składy obu roztworów nasyconych względem tych składników zbliżają się

Z wykresu wynika, że woda i ksylen nie rozpuszczają się nawzajem w stopniu nieograniczonym. Trzeci składnik, etanol, rozpuszcza się bez ograniczeń zarówno w wodzie jak i w ksylenie.

2