ĆWICZENIE 8.11.

KRZYWA TEMPERATURY WRZENIA UKŁADU

CHLOROFORM-ACETON

1. Część teoretyczna

Prawo Raoulta można zdefiniować za pomocą wzoru:

P = P₀X₀

Prężność pary nasyconej nad roztworem jest zawsze niższa niż prężność pary nasyconej nad czystym roztworem.

Obniżenie prężności pary nad roztworem powoduje:

1. obniżenie temperatury krzepnięcia

$$Tkrz = K\frac{m}{M}\frac{1000}{m_{0}}$$

gdzie K to stała krioskopowa definiowana wzorem:

$$K = \frac{RT_{k}^{2}}{1000H_{\text{topn.}}}$$

1. podwyższenie temperatury wrzenia

T_wrz = EC

gdzie E to stała ebulioskopowa definiowana wzorem

$$E = \frac{RT_{\text{wrz}}^{2}}{1000H_{\text{parow.}}}$$

Odchylenia od prawa Raoulta:

- dodatnie - oddziaływania między cząsteczkami różnych związków są słabsze od oddziaływań między wiązaniami tego samego związku, dlatego cząsteczki mogą opuścić ciecz i przejść do fazy gazowej

- ujemne - oddziaływania między cząsteczkami różnych związków są silniejsze od oddziaływań między cząsteczkami tego samego związku, dlatego cząsteczkom trudniej opuścić ciecz i przejść do fazy gazowej.

Mieszaniny azeotropowe - to mieszaniny cieczy zachowujące stały skład w czasie destylacji, dlatego też takich mieszanin nie można rozdzielić na składniki za pomocą destylacji. W przypadku mieszanin azeotropowych stosuje się destylację azeotropową polegającą na dodaniu dodatkowego składnika do roztworu (czyli czynnika rozdzielającego), który tworzy azeotrop z jednym ze składników mieszaniny, co daje możliwość wydestylowania jednego ze składników.

1. Część doświadczalna

Przygotowania krzywej wzorcowej n_D = f(x_A):

Objętość chloroformu [cm^3]	Objętość acetonu [cm^3]	Współczynnik załamania światła	Liczba moli chloroformu	Liczba moli acetonu	Ułamek molowy chloroformu
0	10	1,3568	0	0,14	0
2	8	1,3746	0,025	0,11	0,185
4	6	1,3926	0,05	0,082	0,379
6	4	1,4105	0,075	0,054	0,581
8	2	1,42593	0,1	0,03	0,769
10	0	1,4449	0,12	0	1

Wykonanie właściwych pomiarów:

Objętość acetonu (kumulatywna) [cm^3]	Objętość chloroformu (kumulatywna) [cm^3]	Temperatura wrzenia [°C]	Współczynnik załamania światła	Liczba moli chloroformu [mol]	Liczba moli acetonu [mol]	XCHCl3	Xaceton
25	0	55,4	1,3568	0	0,341	0	1
25	2	56,4	1,3590	0,025	0,341	0,068	0,932
25	6	58,5	1,3676	0,075	0,341	0,180	0,820
25	8	59,3	1,3670	0,1	0,341	0,227	0,773
25	10	61	1,3750	0,125	0,341	0,268	0,732
25	14	61,2	1,3878	0,175	0,341	0,339	0,661
0	25	60	1,4449	0,312	0	1	0
5	25	62,1	1,4305	0,312	0,068	0,821	0,179
12	25	62,8	1,4161	0,312	0,164	0,655	0,345
20	25	62,6	1,4000	0,312	0,273	0,533	0,467

• Krzywa wzorcowa - zależność n_D = f(ułamka molowego chloroformu ):

• Wykres zależności temperatury wrzenia roztworu w funkcji ułamka molowego acetonu w roztworze i parze. Wyjaśnić charakter przebiegu krzywych.

Wykres zrobiony na podstawie danych doświadczalnych przedstawia izobary azeotropowego układu chloroform – aceton. Jest to wykres temperatury wrzenia funkcji ułamka molowego acetonu. Niebieska linia obrazuje krzywą składu pary, natomiast dolna czerwona linia jest krzywą składu cieczy. Pola zakreślone przez izobary odzwierciedlają obszar dwufazowy. Krzywe stykają się w punkcie odpowiadającym maksimum prężności par. Punkt ten pozwala nam na określenie powstałego w czasie prowadzenia doświadczenia azeotropu.

• Określenie składu azeotropu:

Z wykresu odczytujemy, że ułamek molowy chloroformu w badanym azeotropie wynosi 0,58, zaś ułamek molowy acetonu 0,42.

• Porównanie temperatur wrzenia i współczynników załamania światła z wartościami literaturowymi:

Literaturowa wartość temperatury wrzenia acetonu wynosi 56 ºC, natomiast temperatura wrzenia wyznaczona w ćwiczeniu wynosi 55,4 ºC. W przypadku chloroformu literaturowa wartość temperatury wrzenia wynosi 60,5-61,5ºC, a wyznaczona w ćwiczeniu wynosi 60 ºC.

Wyznaczone temperatury wrzenia nie różnią się znacząco od wartości literaturowych, co nie wskazuje na duże zanieczyszczenie badanych substancji.

Lepszym kryterium oceny czystości jest współczynnik załamania światła. Literaturowa wartość współczynnika załamania światła dla acetonu wynosi 1.359, natomiast wartość wyznaczona w ćwiczeniu wyniosła 1,3568, czyli różnią się o 0,0022.

W przypadku chloroformu literaturowa wartość współczynnika załamania światła wynosi 1.445, natomiast wyznaczona w ćwiczeniu wynosi 1,4449, co daje różnicę 0,0001.

Różnice te nie różnią się znacząco od wartości literaturowych, co świadczy o znikomym zanieczyszczeniu substancji.

• Wyjaśnienie charakteru i przyczyn odstępstw od prawa Raoulta:

Dodatnie odchylenie od prawa Raoulta - lotność składników w roztworze jest większa, niż lotność poszczególnych czystych składników roztworu. Siły przyciągania między cząsteczkami substancji w takim roztworze są mniejsze niż odpowiednie siły przyciągania między cząsteczkami czystych substancji przed ich zmieszaniem w celu utworzenia roztworu. Dodatnie odchylenia od prawa Raoulta występują dość często w roztworach wodnych. Woda jest zasocjowana i dodanie do niej innej substancji może powodować zmniejszenie asocjacji i podwyższenie cząstkowej prężności pary wodnej.

Przy ujemnym odchyleniu od prawa Raoulta siły przyciągania między cząsteczkami
w roztworze są większe, niż odpowiednie siły przyciągania między cząsteczkami czystych składników roztworu. Powoduje to mniejszą lotność składników w roztworze i obniżenie ich prężności par.
W niektórych przypadkach w takich roztworach może nastąpić asocjacja lub tworzenie się kompleksów. W roztworach wykazujących ujemne odchylenie od prawa Raoulta obserwuje się
na ogół kontrakcję objętości i wydzielenie się ciepła podczas mieszania składników roztworu.

• Przedyskutowanie jak będzie zmieniał się skład destylatu jeżeli destylacji poddano roztwór zawierający:

1. X_A=0,05 acetonu i chloroform

W tym przypadku w destylacie będzie znajdować się więcej chloroformu, po wielokrotnym powtórzeniu destylacji otrzymamy czysty chloroform.

1. X_A=0,08 chloroformu i aceton

W tym przypadku w destylacie będzie znajdować się więcej acetonu, po wielokrotnym powtórzeniu destylacji otrzymamy czysty aceton.