WSTĘP TEORETYCZNY

Równowaga fazowa - jest to równowaga termodynamiczna polegająca na współistnieniu, co najmniej dwóch faz jednego lub kilku składników.

Układ jest to ciało lub zespół ciał poddawanych obserwacji.

Rozpatrzmy układ trzech składników ciekłych, z których dwa wykazują ograniczoną rozpuszczalność wobec siebie (przykładowo woda i toluen), natomiast trzeci składnik, np. metanol lub aceton, rozpuszcza się w każdym z nich bez ograniczeń. Taki układ trzech składników może być układem ciekłym dwufazowym lub jednofazowym, w równowadze z fazą gazową. Stan układu jest określany przez parametry intensywne, czyli ciśnienie, temperatura, ułamki molowe składników w fazach gazowej i ciekłych.

Przedstawiony na poniższym rysunku trójkąt równoboczny, zwany trójkątem stężeń Gibbsa-Roosebooma, jest najlepszym sposobem przedstawienia diagramu równowagi ciecz-ciecz w układzie trójskładnikowym w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem.

Wierzchołki trójkąta odpowiadają czystym składnikom A, B i C. Punkty leżące na bokach trójkąta określają skład układów dwuskładnikowych: A+B, A+C oraz B+C. Współrzędne dowolnego punktu, leżącego wewnątrz trójkąta, określają skład układu trójskładnikowego, jak pokazano na rysunku b). Linia równoległa do boku trójkąta, jak pokazano na rysunku a), odpowiada układowi o stałej zawartości składnika. Linia łącząca wierzchołek trójkąta z punktem leżącym na przeciwległym boku trójkąta, jak pokazano na rysunku c), reprezentuje wszystkie układy, o stałym stosunku ułamków molowych dwóch składników.

Faza - jest to część układu jednorodna pod względem fizycznym i chemicznym, oddzielona od reszty układu fizyczną powierzchnią rozdziału o takim stosunku powierzchni do masy, że można zaniedbać fluktuację składu i gęstości oraz zjawiska powierzchniowe.

Składniki niezależne – indywidua chemiczne (składniki) obecne w układzie, których stężenia musimy znać, aby w sposób jednoznaczny móc określić stężenia wszystkich składników we wszystkich fazach układu.

Stopnie swobody – to te parametry intensywne opisujące układ, które można zmieniać niezależnie od siebie (w pewnych granicach), bez zakłócenia równowagi termodynamicznej układu, czyli bez zmiany liczby i rodzaju faz w układzie.

Reguła faz Gibbsa

Określa zmienność układu (liczbę stopni swobody) w zależności od liczby składników niezależnych i liczby faz w układzie.

z = s – f + 2

s – liczba składników niezależnych

f – ilość faz

Dla układu składającego się z trzech cieczy stosuje się trójkąt równoboczny, zwany trójkątem Gibbsa- Roosebooma.

Zasady konstrukcji wykresu trójkątnego są następujące:

• każdy wierzchołek trójkąta odpowiada czystemu składnikowi

• na każdym boku odkładamy skład odpowiednich układów dwuskładnikowych

• punkt wewnątrz trójkąta reprezentuje układ trójskładnikowy

• linia równoległa do boku odpowiada układowi, w którym zawartość jednego składnika jest stała

• skład układu trójskładnikowego znajdujemy, prowadząc przez odpowiedni punkt proste równoległe do boków AC i BC, ułamki x_A, x_B, x_C można odczytać na boku AB.

• punkt w trójkącie odpowiadający danemu układowi znajdujemy odmierzając ułamki x_A, x_B, x_C na boku AB i prowadząc proste równoległe do boków AC i BC.

• dowolna prosta przechodząca przez wierzchołek reprezentuje układy, w których stosunek ułamków dwóch odpowiednich składników jest stały.

WYNIKI POMIARÓW

Pomiar	Woda	Ciecz organiczna	Rozpuszczalnik organiczny
	cm^3	g	%

PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA:

• Przygotowałam kolejno 10 próbek stanowiących mieszaniny wody i ksylenu w podanych mi stosunkach objętościowych

• Następnie każdy z otrzymanych układów dwufazowych miareczkowałam rozpuszczalnikiem organicznym (acetonem), aż do zaniku zmętnienia powstającego po zmieszaniu wody i ksylenu

• Po zakończeniu miareczkowania otrzymałam następujące wyniki w T 25^oC , które zestawiłam w tabeli.

TABELARYCZNE ZESTAWIENIE WYNIKÓW UZYSKANYCH PODCZAS DOŚWIADCZENIA:

Pomiar	Woda	Ciecz organiczna (ksylen)	Rozpuszczalnik organiczny (aceton)
	cm^3	g	%
1	9,5	9,4677	46,73432
2	9	8,9694	41,3555
3	8	7,9728	35,11417
4	7	6,9762	26,83498
5	6	5,9796	22,4948
6	5	4,983	18,3948
7	4	3,9864	15,84112
8	3	2,9898	12,28418
9	2	1,9932	8,421067
10	1	0,9966	4,901348

WYZNACZENIE GĘSTOŚCI W TEMPERATURZE 25^O C:

Na podstawie tabel gęstości czystych składników, wyznaczyłam graficznie gęstości w temperaturze 25^oC:

Temperatura [K]	Gęstość, d, g/cm^3
	woda
293	0,9982
303	0,9956
298	0,9966

Wykres zmian gęstości w zależności od temperatury (woda):

d = 0,99658 g/cm³

Wykres zmian gęstości w zależności od temperatury (ksylen):

d = 0,8762 g/cm³

Wykres zmian gęstości w zależności od temperatury (aceton):

d = 0,78432 g/cm³

OBLICZANIE MAS SKŁADNIKÓW MIESZANINY:

Obliczam masy poszczególnych składników mieszaniny, przykładowo dla pierwszej mieszaniny:

Woda:

V = 9,5 cm³

d = 0,9966 g/cm³

m = d*V

m_w = 0,9966 g/cm³ * 9,5 cm³ = 9,4677 g

Ksylen:

V = 0,5 cm³

d = 0,8762 g/cm³

m_t = 0,8762 g/cm³ * 0,5 cm³ = 0,4381 g

Aceton:

V = 13,2 cm³

d = 0,7843 g/cm³

m_a = 0,7843 g/cm³ * 13,2 cm³ = 10,35276 g

Obliczam masę całkowitą:

Σ m = m_w + m_t + m_a = 9,4677g + 0,4381g + 10,35276g = 20,25856 g

OBLICZANIE UŁAMKÓW MOLOWYCH W MIESZANINACH JEDNOFAZOWYCH:

Tabelaryczne zestawienie uzyskanych wyników:

lp	woda			ksylen			aceton			Σ m
	cm3	g	ułamek	cm3	g	ułamek	cm3	g	ułamek	g
1	9,5	9,4677	0,467343	0,5	0,4381	0,021625	13,2	10,35276	0,511031	20,25856
2	9	8,9694	0,413555	1	0,8762	0,040399	15,1	11,84293	0,546046	21,68853
3	8	7,9728	0,351142	2	1,7524	0,07718	16,55	12,98017	0,571678	22,70537
4	7	6,9762	0,26835	3	2,6286	0,101113	20,9	16,39187	0,630537	25,99667
5	6	5,9796	0,224948	4	3,5048	0,131848	21,8	17,09774	0,643204	26,58214
6	5	4,983	0,183948	5	4,381	0,161725	22,6	17,72518	0,654327	27,08918
7	4	3,9864	0,158411	6	5,2572	0,20891	20,3	15,92129	0,632679	25,16489
8	3	2,9898	0,122842	7	6,1334	0,252003	19,4	15,21542	0,625155	24,33862
9	2	1,9932	0,084211	8	7,0096	0,296148	18,7	14,66641	0,619641	23,66921
10	1	0,9966	0,049013	9	7,8858	0,387829	14,6	11,45078	0,563157	20,33318

OBLICZANIE SKŁADU PROCENTOWEGO W MIESZANINACH JEDNOFAZOWYCH:

Obliczam skład procentowy (% wagowe) otrzymanych mieszanin jednofazowych:

Tabelaryczne zestawienie uzyskanych wyników:

numer kolby	masa całkowita	zawartość procentowa substancji w próbie
		woda (mw*100%)/mc
1.	20,25856	46,73432
2.	21,68853	41,3555
3.	22,70537	35,11417
4.	25,99667	26,83498
5.	26,58214	22,4948
6.	27,08918	18,3948
7.	25,16489	15,84112
8.	24,33862	12,28418
9.	23,66921	8,421067
10.	20,33318	4,901348

WNIOSKI

• Celem mojego ćwiczenia, było wyznaczenie izotermy mieszania dla układu trzech cieczy.

• Na podstawie otrzymanych przeze mnie wyników wykonałam wykres fazowy, rozgraniczający układ zawierający dwie fazy ciekłe od jednej fazy ciekłej (wyznaczyłam izotermę mieszania dla układu trzech cieczy).

Jest to trójkąt równoboczny Gibbsa – Roosebooma , na którym graficznie przedstawiłam zależności wzajemnej rozpuszczalności trzech cieczy użytych w doświadczeniu tj. wody , ksylenu i acetonu. Każdy wierzchołek odpowiada czystemu składnikowi, na każdym boku należy odłożyć skład odpowiednich układów dwuskładnikowych. Punkt otrzymany wewnątrz trójkąta reprezentuje układ trójskładnikowy. Na niżej przedstawionym przeze mnie trójkącie wykreśliłam krzywą rozpuszczalności dla trzech wymienionych cieczy. Substancje doświadczalne oznaczyłam następującymi symbolami:

A – woda

B - ksylen ( składniki wykazujące ograniczoną mieszalność )

C – aceton (składnik tworzący z wodą i ksylenem mieszaniny dwuskładnikowe jednofazowe w całym zakresie stężeń)

Uzyskany przeze mnie trójkąt Gibbsa jest podobny do wykresów literaturowych, co świadczy o prawidłowym wykonaniu ćwiczenia.

• Po dodaniu do układu dwóch niemieszających się cieczy trzeciego składnika (acetonu), który rozpuszcza się zarówno w wodzie jak i w ksylenie, obserwujemy zwiększenie wzajemnej rozpuszczalności wody i ksylenu. Po dodaniu odpowiedniej ilości rozpuszczalnika organicznego obserwujemy przejście z układu dwufazowego do jednofazowego. Pole nad krzywą izotermy pokazuje nam układ, w którym mieszanina tworzy jedną fazę.

• Jakiekolwiek nieścisłości w wynikach są spowodowane niemożliwością dokładnego odczytu wykonanych pomiarów oraz nieprecyzyjnym wykonaniem doświadczenia.