Badanie równowagi fazowej w układzie trójskładnikowym

CH₃COOH - H₂O - badana ciecz

Aby w pełni opisać stan układu znajdującego się w równowadze musimy wprowadzić pojęcie potencjału chemicznego. Jest to wielkość intensywna i ma określoną wartość w każdym miejscu fazy i nie zależy od całkowitej masy, ale jedynie od jej stanu wewnętrznego. Z definicji potencjał chemiczny jest molową parcjalną energią swobodną i - tego składnika:

Przy stałej temperaturze i ciśnieniu dla każdego ze składników układu w stanie równowagi potencjał chemiczny musi być taki sam we wszystkich fazach, czyli muszą być spełnione równania:

gdzie: α - liczba składników niezależnych

β - liczba faz

Wiedząc, że liczba tych równań wynosi α(β-1) oraz, że stan termodynamiczny opisuje 2+β(α-1) parametrów intensywnych, możemy wyprowadzić równanie opierające się na różnicy między całkowitą liczbą parametrów opisujących stan układu a liczbą związków między nimi:

gdzie: s - liczba stopni swobody.

Powyższe równanie nosi nazwę reguły faz Gibbsa.

W układzie trójskładnikowym, jakim będziemy zajmować się w doświadczeniu β_max = 5. Właściwości takich układów bada się przy stałym ciśnieniu i temperaturze co ogranicza liczbę stopni swobody do wartości s =α - β, a w zależności od wzajemnej rozpuszczalności składników istnieją jedno- i dwufazowe układy trójskładnikowe.

Stan takich układów najłatwiej jest przedstawić trójkątnym układem współrzędnych zaproponowanym przez Gibbsa. Jest to trójkąt równoboczny, którego wierzchołki odpowiadają 100% zawartości składnika A, B i C w mieszaninie, punkty leżące na bokach - układy dwuskładnikowe, a punkty leżące wewnątrz trójkąta - układy trójskładnikowe.

Celem naszego zadania jest wyznaczenie właśnie takiego trójkąta dla układu woda - kwas octowy - chloroform i zaznaczenie na nim granicy istnienia faz w zależności od składu roztworu.

Pomiary i obliczenia

• W celu wyznaczenia trójkąta stężeń Gibbsa przygotowujemy 10 butelek o różnej zawartości wody i kwasu octowego i miareczkujemy chloroformem, aż do uzyskania zmętnienia (2 fazy).

Nr butelki	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
woda [cm^3]	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
kwas octowy [cm^3]	-	1	2	3	4	5	6	7	8	9
chloroform [cm^3]	0,15	0,17	0,20	0,24

• Za pomocą programu komputerowego obliczamy % wagowy poszczególnych składników w roztworze:

Nr butelki	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
woda [% wag.]	97,8	87,34	76,92	66,60	55,63	43,10	25,36	16,88	7,33	2,02
kwas octowy [% wag.]	0,00	10,19	20,19	29,97	38,94	45,26	39,94	41,35	30,80	19,05
chloroform [% wag.]	2,20	2,47	2,88	3,43	5,43	11,64	34,71	41,77	61,87	78,93

• Na podstawie powyższych obliczeń wykreślamy trójkąt stężeń Gibbsa:

• Z powyższego diagramu możemy wywnioskować, że pomiary zostały wykonane dokładnie, poza pomiarem butelki nr 7, co widać na wykresie. Błędem mogło być nie uchwycenie pierwszego trwałego zmętnienia i przemiareczkowanie roztworu.

• Wykreślając diagram fazowy możemy wyznaczyć zatem linię graniczną (czerwona linia na wykresie łącząca otrzymane w doświadczeniu punkty) występowania jednej i dwóch faz w roztworze w zależności od składu procentowego składników.

- 2 -

---