22T1 zespół 1 Zespół 2	Ćwiczenie nr 3 Destylacja	Data wykonania 19/12/2012r.
Białka Karolina Korzec Patrycja Cokot Marcin Paszko Igor		Ocena:

1. Wstęp teoretyczny

Destylacja to proces polegający na rozdzielaniu substancji za pomocą ogrzewania ich mieszaniny aż do osiągnięcia temperatury wrzenia, a następnie skraplaniu par w chłodnicy w celu zebrania destylatu. Podczas destylacji ustala się stan równowagi pomiędzy fazą gazową a ciekłą mieszaniny. Warunkiem koniecznym do przeprowadzenia procesu destylacji jest różnica w składzie par i cieczy.

Stan układu określony jest przez wartość entalpii swobodnej zdefiniowanej wzorem:

G = U + pV – TS, ponieważ U + pV = H

G = H – TS

U – energia wewnętrzna układu

p – ciśnienie układu

V – objętość układu

T – temperatura bezwzględna układu

S – entropia układu

H – entalpia układu

Entalpia swobodna zwana również funkcją Gibbsa jest to potencjał termodynamiczny danego układu, którego zmiana jest proporcjonalna do temperatury i objętości.

Ciśnienie całkowite układu można obliczyć korzystając z prawa Daltona, które mówi, że suma ciśnień cząstkowych wywieranych przez poszczególne składniki mieszaniny jest równa ciśnieniu wywieranemu przez mieszaninę gazów doskonałych:

p = p_A + p_B

p_A- to ciśnienie cząstkowe par składnika A nad roztworem

p_B- to ciśnienie cząstkowe par składnika B nad roztworem

Natomiast cieśnienia cząstkowe poszczególnych składników można wyznaczyć na podstawie prawo Raoulta stwierdzającego, że przy stałej temperaturze ciśnienia cząstkowe par składników nad roztworem są wprost proporcjonalne do stężeń tych składników w roztworze.

p_A=p_A⁰*x_A

p_A⁰-to ciśnienie par nad czystym składnikiem A

x_A- to ułamek molowy składnika A w roztworze

Przyczyną spełnienia prawa Raoulta jest podobieństwo strukturalne oraz zbliżone energie oddziaływań miedzy cząsteczkami. Przykładem mogą być: benzen-toluen, heksan- pentan, metanol- etanol.

Jeśli sumaryczna prężność pary jest większa od prężności pary czystego, lotniejszego składnika to mamy do czynienia z azeotropem dodatnim zwanym także minimalnym ze względu na minimalną temp. wrzenia. Roztwór taki jest bardziej lotny co oznacza, że oddziaływanie jest niekorzystne. np. woda-etanol, benzen-metanol.

Jeśli układ wykazuje ujemne odchylenie od prawa Raoulta – oddziaływanie jest korzystne. Ciecz jest bardziej ustabilizowana i wrze w temp. wyższej – azeotrop ujemny (maksymalny). np. aceton-chloroform, w którym występują wiązania wodorowe i wiązania dipol-dipol, które są silniejsze niż między czystymi składnikami.

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ,rozdzielnie’ mieszaniny heksan-toluen oraz wyznaczenie wartości ułamków molowych składników w cieczy wyczerpanej i destylacie na podstawie współczynników załamania światła wyznaczonych refraktometrem. Sporządzenie wykresu równowagowego temperatur wrzenia badanego roztworu w funkcji składu cieczy i pary.

1. Wykonanie ćwiczenia

Do kolby zestawu destylacyjnego wlano 40 cm³ uprzednio przygotowanego roztworu i doprowadzono układ do wrzenia przez zwiększenie napięcia na autotransformatorze. Wcześniej sprawdzono poprawność działania układu chłodzenia i ustawienia zaworu trójdrożnego. Po ustaleniu się temperatury na termometrze ( po około 15 minutach od rozpoczęcia prowadzenia procesu) odczytano temperaturę wrzenia cieczy z dokładnością do 0,1°C. Następnie pobrano próbki skroplonego destylatu (przez podstawienie naczyńka pod odpływ destylatu i ustawienie zaworu trójdrożnego w pozycji odcinającej przepływ destylatu do zbiornika aparatu) i cieczy wrzącej (przez podstawienie naczyńka pod odpływ cieczy wrzącej i otwarcie zaworu spustowego). Po wykonaniu danej serii pomiarowej wyłączano autotransformator i ochładzano aparat przed wykonaniem następnych pomiarów, które przeprowadzano w analogiczny sposób jak dla roztworu I. Stężenia poszczególnych próbek oznaczono metodą refraktomeryczną.

1. Opracowanie wyników

V(toluen) – 7 cm³

V(heksan) – 43 cm³

Ciśnienie atmosferyczne – 749 mmHg

Δp = 749 – 760 = -11 [mmHg]

$\frac{\text{Δt}}{\text{Δp}}$ dla Δp = 1 [mmHg] przy 760 [mmHg]

T_wrz= T_{wrz (p}^o₎ – (Δp • $\frac{\text{Δt}}{\text{Δp}}$)

T_wrz^h = 68,7 + (-11 •0,042) = 68,238 [°C]

T_wrz^t = 110,6 + (-11 • 0,046) = 110,094 [°C]

Dane:
X_0toluenu - odczytujemy z wykresu

Y_0toluenu - z następującego wzoru: Y_otoluenu = p^o_a/p ∙ X_a

[1]Y_0toluenu = 260/749 ∙ 0,24 = 0,083
[2]Y_0toluenu = 340/749 ∙ 0,45 = 0,204

[4]Y_0toluenu = 390/749 ∙ 0,58 = 0,302

Mieszanina n-heksanu-toluen o temperaturze wrzenia 71 ^oC

N^20D dla cieczy	N^20D dla pary	X0 toluenu w cieczy	Y0 toluenu w parze	Y a= pa^o/p * Xtoluenu
1,4012	1,3881	0,24	0,12	0,083

Mieszanina n-heksan-toluen o temperaturze wrzenia 78 ^oC

N^20D dla cieczy	N^20D dla pary	X0 toluenu w cieczy	Y0 toluenu w parze	Y a= pa^o/p * X0toluenu
1,4324	1,4078	0,45	0,28	0,204

Mieszanina n-heksan-toluen o temperaturze wrzenia 83 ^oC

N^20D dla cieczy	N^20D dla pary	X0 toluenu w cieczy	Y0 toluenu w parze	Y a= pa^o/p * X0toluenu
1,4541	1,4057	0,64	0,25	0,333

WNIOSKI

Wraz z obniżeniem ciśnienia zewnętrznego maleje temperatura wrzenia substancji ciekłej. Zjawisko to związane jest z tym, że układ osiąga temperaturę wrzenia w momencie gdy prężność jego par jest równa ciśnieniu zewnętrznemu. Prężność par nad cieczą oczywiście rośnie wraz ze wzrostem temperatury, wzrost wartości prężności par jest bardzo gwałtowny - postęp geometryczny.Znając skład roztworu poddawanego wrzeniu można obliczyć, wykorzystując prawa Raulta i Daltona, skład równowagowej pary. Periodyczna destylacja prosta może być użyta jako metoda rozdzielania dwóch substancji, które tworzą ze sobą układ zeotropowy.