ZADANIA Z CHEMI FIZYCZNEJ - ROK AKADEMICKI 2004 / 2005

DESTYLACJA

• Mieszaninę bromobenzenu i wody poddano destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym. Wykorzystując podane prężności par czystych cieczy obliczyć:

1. temperaturę wrzenia mieszaniny,

2. stosunek wagowy bromobenzenu i wody w destylacie.

T°C	92°C	94°C	96°C	98°C	100°C
pH2O [ •10^5 N•m^-2]	0,756	0,814	0,877	0,943	1,013
pC6H5Br[ •10^5 N•m^-2]	0,141	0,152	0,164	0,176	0,188

Odp.:

1. Temperatura wrzenia mieszaniny wynosi 95,25 °C.

2. Na 156,9 g bromobenzenu przypada 95,58 g wody.

2. Destylowano m-ksylen (M = 106 g •mol^-1) z parą wodną. Wyznaczyć:

1. temperaturę wrzenia pod ciśnieniem 760 mm Hg,

2. masę wody (M = 18 g •mol^-1) zużytej do oddestylowania 100 g m-ksylenu.

Dane są prężności pary nasyconej m-ksylenu, p_k, i wody, p_w, w następujących temperaturach:

T°C	90°C	91°C	92°C	93°C	94°C	95°C
pk [mm Hg]	160	174	180	186	193	201
pw [mm Hg]	526	546	567	589	611	634

Odp.:

1. Temperatura wrzenia pod ciśnieniem 760 mmHg wynosi 92,46 °C.

2. Masa wody zużyta do oddestylowania 100 g m-ksylenu wynosi 53,5 g wody.

1. Prężność pary wrzącego układu dietyloanilina - woda w temperaturze 99,4 °C wynosi 1,013 •10⁵ N•m^-2. Prężność pary wodnej w tej temperaturze jest równa 0,992 •10⁵ N•m^-2. Ile gramów pary wodnej potrzeba do przedestylowania 100 g dietyloaniliny (M = 149)?

Odp: 570 g pary wodnej potrzeba do przedestylowania 100 g dietyloaniliny.

2. W temperaturze 313 K prężności par dichloroetanu i benzenu wynoszą odpowiednio 2,066 • 10⁴ i 2,433 • 10⁴ N•m^-2. Sporządzić wykres zależności ciśnienia całkowitego i prężności cząstkowych par w temp. 313 K w zależności od składu roztworu ciekłego tych substancji, przyjmując, że mieszanina ta jest roztworem idealnym.

1. Znaleźć skład mieszaniny, która będzie wrzeć pod ciśnieniem p = 2,267 • 10⁴ N•m^-2.

2. Pod jakim ciśnieniem będzie wrzeć mieszanina zawierająca 40% molowych benzenu?

Odp.:

a) Skład mieszaniny, która będzie wrzeć pod ciśnieniem p = 2,267 • 10⁴ N•m^-2 wynosi:

X_benzenu = 0,47; X_{dichloroetamu} = 0,53.

b) Mieszanina zawierająca 40% molowych benzenu wrze pod ciśnieniem

p = 2,2 • 10⁴ N • m^-2.

5. Jakie wnioski można wysnuć z porównania wykresów otrzymanych przy rozwiązywaniu poprzedniego zadania z analogicznymi wykresami, które należy sporządzić z danych doświadczalnych zamieszczonych w poniższej tabeli (wartości ciśnienia podane w tabeli należy pomnożyć przez: 10⁴ N • m^-2).

X C6H6	0,075	0,130	0,186	0,257	0,345	0,462	0,560	0,640	0,695	0,745	0,792	0,848	0,875	0,945
p C2H4Cl2	1,897	1,791	1,664	1,507	1,355	1,133	0,933	0,773	0,664	0,553	0,429	0,320	0,247	0,125
P C6H6	0,176	0,292	0,443	0,648	0,832	1,113	1,347	1,527	1,663	1,800	1,933	2,056	2,140	2,287

6. W temperaturze 60ºC prężność pary nasyconej nad czystym benzenem wynosi 388 mmHg, a nad czystym toluenem 140 mmHg. Roztwory tych węglowodorów z dostateczną dokładnością podlegają prawu Raoulta. Obliczyć całkowitą prężność pary nasyconej oraz skład pary nad roztworem (w temp. 60ºC) zawierającym 40 % wag. benzenu i 60% wag. toluenu.

Odp.:

• Całkowita prężność pary nad roztworem wynosi 249 mmHg.

• Skład pary nad roztworem: 68,7% mol = 68,7% obj. benzenu oraz 31,3% mol = 31,3% obj. toluenu.

Prężności (w mmHg) pary nasyconej nad czystymi rozpuszczalnikami benzenem i dwusiarczkiem węgla dla odpowiedniej temperatury są zestawione w poniższej tabeli:

Temperatura, ºC	20	40	80
Prężność pary nasyconej C6H6	76,5	185	755
Prężność pary nasyconej CS2	297	617	2030

1. Obliczyć całkowite prężności pary w tych temperaturach nad roztworem zawierającym 1 mol C₆H₆ i 1 mol CS₂ przy założeniu, że układ stosuje się do prawa Raoulta.

2. Obliczyć procentowe odchylenia od prawa Raoulta dla każdej temperatury, jeżeli doświadczalne wartości całkowitej prężności pary dla wyszczególnionych wartości temperatury wynoszą kolejno: 206; 432; 1475 mmHg.

Odp.:

a) Całkowite prężności pary: p₁ = 187 mmHg; p₂ = 401 mmHg; p₃ = 1392 mmHg.

b) Procentowe odchylenia od prawa Raoulta: 10,2 %; 7,7%; 6,0%

8. Obliczyć całkowitą prężność pary nad roztworem benzenu i toluenu, w celu wykreślenia krzywej przedstawiającej zależność prężności pary od stężenia składników, wyrażonego w ułamkach molowych x = 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1, jeżeli pº_B = 100•10² N/m², pº_T = 29,3•10² N/m².

Wyniki: Całkowite prężności par nad mieszaniną wynoszą:

I. 29,3 • 10⁴ N • m^-2

II. 43,43 • 10⁴ N • m^-2

III. 57,58 • 10⁴ N • m^-2

IV. 71,72 • 10⁴ N • m^-2

V. 85,86 • 10⁴ N • m^-2

VI. 100 • 10⁴ N • m^-2

9. Prężność pary benzenu w 30ºC wynosi 120 mmHg, a toluenu w tej samej temperaturze 36 mmHg. Jakie są ciśnienia cząstkowe i sumaryczna prężność pary nad mieszaniną zawierającą jednakowe masy benzenu i toluenu w 30ºC. Jaki jest skład pary w równowadze z roztworem w tej temperaturze?

Odp.: Ciśnienia cząstkowe i sumaryczna prężność pary wynoszą:

p_benzenu = 64,8 mmHg; p_toluenu = 16,56 mmHg; p_całkowita = 81,36 mmHg.

Skład pary w równowadze z roztworem: X_PARA-BENZEN = 0,80; X_PARA-TOLUEN = 0,20

10. Prężność pary nad czystą wodą w 20ºC wynosi 17,4 mmHg. Jaka będzie prężność pary nad roztworem, jeżeli w 1000 g wody rozpuścimy 2 mole nielotnej substancji.

Odp.: Prężność pary nad roztworem wynosi 16,79 mmHg.

11. Chlorobenzen destyluje z parą wodną pod ciśnieniem 1 atm (760 mm Hg) w temperaturze 90ºC. Prężność pary wodnej w tej temperaturze wynosi 546 mm Hg. Obliczyć ilość wody w destylacie po przedestylowaniu 10 g chlorobenzenu (M=112,5).

Odp.: Do przedestylowania 10 g chlorobenzenu potrzeba ok. 4,1 g wody.

12. W temperaturze 95,1ºC oddestylowano 1651,6g pewnej substancji, z 1 kg wody. Substancja ta jest praktycznie nierozpuszczalna w wodzie, a cząstkowe prężności par wody i substancji w podanej temperaturze wynoszą odpowiednio 639 i 121 mm Hg. Jaka to substancja?

Odp. Tą substancją jest bromobenzen.

13. Prężność pary czystego benzenu w temp.293⁰K wynosi 1•10⁴ N/m², a prężność pary czystego toluenu w tej samej temperaturze wynosi 29,32•10² N/m². Proszę obliczyć prężność par składników nad roztworem benzen - toluen wiedząc, że ułamek molowy benzenu wynosi 0,4.

Prężności par tych składników wynoszą:

p_benzenu = 4000 N • m^-2; p_toluenu = 1759,2 N • m^-2; p_całkowita = 5759,2 N • m^-2.

14. Biorąc pod uwagę oddziaływania międzycząsteczkowe, które z podanych mieszanin będą tworzyć mieszaniny azeotropowe a które azeotropowe: heksan - heptan; aceton - kwas octowy; metanol - toluen? Jak w każdym z trzech wymienionych przypadków będzie wyglądać zależność temperatury wrzenia od składu mieszaniny? Temperatury wrzenia: heksan - 69ºC; heptan - 98ºC; aceton - 56ºC; kwas octowy - 118ºC; metanol - 65ºC, toluen - 111ºC.

15. Proszę opisać proces destylacji mieszaniny zawierającej 4 mole substancji B i 1 mol substancji A. Proszę podać:

- temperaturę wrzenia tej mieszaniny,

- skład pary i cieczy, jeżeli temperatura wrzenia wzrośnie o 10ºC.

Odp: Temperatura wrzenia mieszaniny wynosi 53,75 °C.

Jeżeli temperatura wzrośnie o 10°C (63,75 °C) to skład cieczy jest następujący:

X_A = 0,86 i X_B = 0,14; skład pary jest następujący: X_A = 0,62 i X_B = 0,38.

16. Prężności pary nasyconej nitrobenzenu i wody przy ciśnieniu równym 1 atm wynoszą [mm Hg]:

T [ºC]	20	40	60	80	90	100
Woda [mm Hg]	40	100	200	420	550	760
Nitrobenzen [mm Hg]	10	30	75	150	210	300

1. Narysować wykres p = f (t) i podać temperaturę w której będzie zachodzić destylacja nitrobenzenu z parą wodną.

2. Podać temperaturę w której będzie zachodzić ta destylacja, jeżeli ciśnienie zewnętrzne obniżyć do 720 mm Hg. Odpowiedź uzasadnić.

Odp: a) 90^oC

Odp: b) ok. 87,9 °C.

17. Wyznaczyć wartość cząstkowych prężności par nad układem aceton - chloroform w temperaturze 308 K dla różnych stężeń wyrażonych w ułamkach molowych:

Ułamek molowy CHCl3	0,0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
Ciśnienie, p, CHCl3 (*10^4Nm^-2)	0,0	0,45	1,1	2,0	3,0	3,9
Ciśnienie, p, acetonu (*10^4Nm^-2)	4,6	3,6	2,4	1,4	0,6	0,0

1. Sporządzić wykres zależności: prężność pary jako funkcji składu.

2. Wyznaczyć pod jakim ciśnieniem będzie wrzeć roztwór zawierający po 0,5 ułamka molowego obydwu składników (w temp. 308 K).

Odp.: b) Roztwór będzie wrzeć pod ciśnieniem ok. 3,42 •10⁴Nm^-2 .

18. Destylowano z parą wodną pewną substancję zapachową, w temp. 98ºC i pod ciśnieniem p = 101,3 kPa. Prężność pary wodnej w tej temperaturze wynosi p_H2O = 98,0 kPa. Wyliczyć masę molową tej substancji wiedząc, że 50 g substancji przedestylowano ze 130 g wody.

Odp.: Masa molowa tej substancji wynosi 203,148 g/mol.

19. Oczyszczając toluen od niektórych domieszek destylowano go z para wodną (ciecze wzajemnie nierozpuszczalne) przy zewnętrznym ciśnieniu p = 1 • 10⁵ N/m². Korzystając z tabeli, w której zestawiono prężności pary wody i toluenu w kilku temperaturach, proszę narysować zależności prężności cząstkowej dla wody, toluenu i prężności całkowitej pary nad roztworem woda - toluen w funkcji temperatury. Wyznaczyć temp. wrzenia, a następnie proszę wyliczyć ile gramów toluenu przedestyluje z 1000 g wody. M.cz. toluenu = 92 g/mol.

Temperatura, ºC	60	70	80	90	100
p^owoda •10^4 [N•m^-2]	2,0	3,2	4,9	7,2	10,5
p^otoluen •10^4 [N•m^-2]	1,8	2,7	3,9	5,4	7,4

Odp.: Temperatura wrzenia wynosi T = 83,16 ˚C.

3967,24 g toluenu przedestyluje z 1000 g wody.

20. Wykreślić zależności prężności cząstkowej par benzenu i toluenu od składu mieszaniny, jeśli p^O benzenu wynosi 100•10² N/m², a p^O toluenu 29,32•10² N/m², zakładając, że mieszanina spełnia prawo Raoulta.

4

---