Grzegorz Piechota T-ń 12.12.2005

Ćwiczenie nr 25

Wyznaczanie izotermy rozpuszczalności w układzie trzech cieczy.

Trójkąt Gibbsa

1) Wstęp teoretyczny.

Skład układów trójskładnikowych przedstawia się dla warunków izotermiczno-izobarycznych za pomocą tzw. diagramów Gibbsa. Mają one kształt trójkątów równobocznych, których boki są osiami diagramu. Wierzchołki trójkąta odpowiadają czystym składnikom A, B, C, boki-układom dwuskładnikowym A-B, B-C, A-C, a powierzchnia - układowi trójskładnikowemu A-B-C. Możliwość przedstawienia mieszaniny trójskładnikowej na płaszczyźnie wynika z faktu spełnienia dla dowolnego składu procentowego w_A, w_B, w_C każdej mieszaniny zależności: w_A + w_B + w_C = 100%

Celem znalezienia zawartości poszczególnych składników układu w danym punkcie powierzchni trójkąta można postępować w dwojaki sposób:

• przeprowadzić z danego punktu prostopadłe do boków. Ponieważ a+b+c=h, stąd zawartości procentowe składników przedstawiają się następująco:

w_A = a/h *100%

w_B = b/h*100%

w_C = c/h *100%

• przeprowadzić przez dany punkt proste równoległe do boków, zawartości składników odczytujemy wówczas na bokach trójkąta. Układy o jednakowej zawartości danego składnika znajdują się na prostej równoległej do boku trójkąta leżącego naprzeciw wierzchołka odpowiadającego danemu składnikowi. Każda prosta wychodząca z danego wierzchołka w kierunku przeciwległego boku wykazuje natomiast tę właściwość, że stosunek zawartości pozostałych dwóch składników na tych prostych jest stały, taki, jak stosunek długości odcinków, na jakie dzieli ta prosta bok.

W układach trzech cieczy wszystkie składniki mogą być całkowicie mieszalne (np. woda, metanol, etanol) lub też układ może zawierać jedną, dwie, trzy pary cieczy częściowo mieszalnych.

Diagram równowagi ciecz-ciecz, układu zawierającego jedną parę częściowo mieszalną B-C (np. kwas octowy A, chloroform B, woda C), przedstawia rysunek:

Powierzchnia ponad krzywą binoidalną DPE odpowiada układowi jednofazowemu, a powierzchnia pod krzywą - układowi dwufazowemu: ciecz-ciecz. Układ taki ma jeden stopień swobody, jest układem sprzężonym (skład jednej fazy określa skład drugiej fazy).

Krzywa DP przedstawia skład fazy bogatszej w składnik B, a krzywa EP - skład fazy bogatszej w składnik C. W punkcie P składy obu faz stają się identyczne. Linie wiążące DE, D`E`, D``E`` itp. łączą składy faz pozostających w równowadze.

Rozpatrzmy punkt Q obrazujący skład układu, leżący wewnątrz układu dwufazowego złożonego z dwu faz ciekłych. Skład tych faz określa linia wiążąca odcinająca na linii wzajemnej rozpuszczalności punkty D i E. Stasunek liczby moli zawartych w obu fazach można wyznaczyć za pomocą reguły dźwigni. Stosunek liczby moli substancji znajdujących się w fazie D do liczby moli substancji w fazie E jest równy stosunkowi odcinków QE i QD.

Miareczkując składnikiem C mieszaniny A i B o różnym składzie, aż do pojawienia się drugiej fazy, można wyznaczyć krzywą binoidalną, nie można jednak wyznaczyć linii wiążących.

Diagram Gibbsa znajduje zastosowanie m.in. w badaniu zmian wzajemnej rozpuszczalności dwóch cieczy po dodaniu do nich trzeciej. Jeżeli dodana ciecz rozpuszcza się tylko w jednej z cieczy stanowiących badany układ, to wzajemna rozpuszczalność tych cieczy zazwyczaj maleje. Natomiast wprowadzenie cieczy rozpuszczającej się w obu cieczach będących składnikami badanego układu powoduje zwiększenie ich wzajemnej rozpuszczalności.

2) Literatura

Pigoń K., Ruziewicz Z. „Chemia fizyczna”, PWN Warszawa 1980

Grabarkiewicz-Szczęsna J. „Ćwiczenia z chemii fizycznej”, Poznań 1996

3) Wykaz substancji chemicznych stosowanych w zadaniu oraz numery kart charakterystyk

toluen

n-propanol

2-propanol

n-butanol

octan etylu

aceton

4) Oświadczenie

Oświadczam, że zapoznałam się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane są mi właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

........................................

5) Cel wykonania ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie izotermy rozpuszczalności w układzie trzech cieczy na podstawie trójkąta stężeń Gibbsa. Zapoznanie się z aparatura.

6) ZESTAWIENIE WYNIKÓW DOŚWIADCZALNYCH.

Nr pomiaru	A	B	C
	OBJETOŚĆ [cm^3]
1	0	0	0
2	5,40	2,10	14,60
3	7,20	3,05	12,80
4	9,20	3,50	10,80
5	11,00	3,60	9,00
6	12,80	3,40	7,20
7	14,80	3,00	5,20
8	16,60	2,65	3,40
9	0	0	0

Gęstości używanych substancji:

Ciecz A - woda: 0,9982 g/ cm³

Ciecz B - Aceton: 0,7920 g/ cm³

Ciecz C - Butanol: 0,8098 g/ cm³

Temperatura pomiarów: 304 K

8) Obliczenia:

OBLICZENIA NA WYDRUKU KOMPUTEROWYM.

Algorytm obliczeń do wykreślenia na wykresie:

Skala: 15 cm.

15 * zaw. wagowa składnika

100

9) Omówienie wyników:

Wykreślając izotermę rozpuszczalności możemy powiedzieć że wykres ten odpowiada wykresowi dla układu o ograniczoną rozpuszczalnością w układzie podwójnym. Widzimy, że aby w stałej temperaturze i stałym ciśnieniu otrzymać z badanych trzech cieczy układ jednofazowy należy sporządzić roztwór o ściśle określonym składzie. Wynika to z równania faz Gibbsa, ponieważ mając 3 ciecze (o właściwościach względem siebie jak ciecze badane) w stałych warunkach zewnętrznych jedna faza występuje tylko wtedy, gdy nie ma żadnego stopnia swobody. Jak widać doświadczenie zostało przeprowadzone poprawnie i nie jest obarczone błędem grubym. Wyniki doświadczalne są znacznie zbliżone do wartości teoretycznych, a drobne odchylenia mogą być spowodowane błędami aparatury lub małą niedokładnością wykonującego ćwiczenie.

....................................

Diagram równowagi ciecz-ciecz w układzie

trójskładnikowym z jedną parą cieczy częściowo mieszalnych

---