Wydział Chemiczny.
Kierunek
Papiernictwo i Poligrafia.
Ćwiczenie Nr 31
ZASTOSOWANIE REGUŁY FAZ GIBBSA
DO UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO
Ćwiczenie wykonano: 02.12.2002 r.
Sprawozdanie złożono:09.12.2002 r.
Ćwiczenie wykonała:
Agnieszka Andruszkiewicz
Część teoretyczna
Reguła faz Gibbsa, zależność pomiędzy liczbą faz w układzie wielofazowym, a liczbą stopni swobody tego układu:
f = k - s + 2,
gdzie: f - liczba faz, k - liczba niezależnych składników, s - liczba stopni swobody.
Liczba stopni swobody - liczba niezależnych intensywnych parametrów stanu koniecznych do pełnego opisu danego układu. Liczba stopni swobody rośnie ze wzrostem liczby składników i faz, a maleje ze wzrostem liczby równowag międzyfazowych i reakcji chemicznych zachodzących w opisywanym układzie.
Faza - w termodynamice: część układu termodynamicznego jednakowa pod względem właściwości fizycznych i chemicznych. Przejście pomiędzy fazami współistniejącymi w danym układzie wiąże się ze skokową zmianą, co najmniej jednego parametru termodynamicznego.
W ćwiczeniu nr 31, zajmę się układem trójskładnikowym. Skład układu trójskładnikowego przedstawia się zazwyczaj posługując się trójkątnym układem współrzędnych, zaproponowanym przez Gibbsa i Roozebooma. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki reprezentują czyste składniki, boki - układy dwuskładnikowe, a pole trójkąta układy trójskładnikowe. Układy o jednakowej zawartości określonego składnika znajdą się na takim wykresie na linii prostej, poprowadzonej równolegle do boku trójkąta, leżącego naprzeciw wierzchołka reprezentującego dany składnik i odpowiedniej od niej odległości. Z własności tej korzystamy dla lokalizacji punktu odpowiadającego danemu układowi na wykresie. Drugą, często wykorzystywaną własnością takiego wykresu jest, że linia prosta wychodząca z danego wierzchołka w kierunku przeciwległego mu boku reprezentuje układy charakteryzujące się stałą wartością stosunku stężeń obu pozostałych składników. Stosunek stężeń (wyrażonych w procentach wagowych lub w ułamkach czy procentach molowych, zależnie od skali stężeń przyjętej przy sporządzaniu wykresu) jest taki, jak stosunek długości odcinków, na jakie dzieli ta prosta bok przeciwległy danemu wierzchołkowi.
Część praktyczna.
1.Przygotowanie mieszaniny wody i cieczy organicznej w proporcjach przygotowanych przez asystenta.
2.Przygotowanie układu dwufazowego woda-ciecz organiczna, następnie miareczkowanie rozpuszczalnikiem aż do zaniku zmętnienia.
3. Wyniki
4.Zanotować temperaturę, w której przeprowadzono pomiary.
5. Obliczyć skład procentowy otrzymanych mieszanin jednofazowych.
6. Wykreślenie izotermy mieszania w trójkącie równobocznym.
Opis i wykonanie ćwiczenia nr 31.
1. Pierwszym etapem wykonania ćwiczenia jest przygotowanie w 10 kolbach mieszaniny wody i cieczy organicznej KSYLENU w proporcjach podanych przez asystenta .
|
Woda |
Ksylen |
Etanol |
1 |
0,5 cm |
9,5cm |
6,9 cm |
2 |
1cm |
9 cm |
13,1cm |
3 |
2 |
8 |
18 |
4 |
3 |
7 |
21,05 |
5 |
4 |
6 |
24,8 |
6 |
5 |
5 |
26,5 |
7 |
6 |
4 |
29,1 |
8 |
7 |
3 |
27,2 |
9 |
8 |
2 |
27 |
10 |
9 |
1 |
23,3 |
2. Kolejnym etapem jest miareczkowanie rozpuszczalnikiem organicznym, aż do zaniku zmętnienia.
Prawidłowy zmiareczkowany układ nie może być mętny ani zawierać zawieszonych kuleczek substancji organicznej.
Wyniki miareczkowania podane są w tabeli powyżej.
3. Przeprowadzenie obliczeń składu procentowego (% wagowego).
Dane; dKsylenu = 0,864 g/cm3
detanolu = 0,809 g/cm3
Przykład obliczenia m = d * V dla etanolu m = 6,9 cm3 * 0,809 g/cm3 = 5,096 g
m = d * V dla ksylenu m = 9,5 cm3 * 0,864 g/cm3 = 8,208 g
m = d * V dla wody m = 0,5 cm3 * 1 g/cm3 = 0,5 g
Przykład obliczenia składu procentowego ( % wagowy)
Wzór ogólny 
100% =
Przykład obliczenia składu procentowego ( % wagowy) dla wody
Wzór ogólny 
100% = 
100 = 3,622 %
Przykład obliczenia składu procentowego ( % wagowy) dla ksylenu
Wzór ogólny 
100% =
100 =59,461%
Przykład obliczenia składu procentowego ( % wagowy) dla etylenu
Wzór ogólny 
100% = 
100 = 36,916%
Sprawdzenie; 3,622% + 59,461% + 36,461% = 99,544% (ok.100%)
|
|
Woda |
|
|
Ksylen |
|
|
Etanol |
|
|
cm |
g |
% |
cm |
g |
% |
cm |
g |
% |
1 |
0,5 |
0,5 |
3,622 |
9,5 |
8,208 |
59,462 |
6,9 |
5,096 |
36,916 |
2 |
1 |
1 |
5,16 |
9 |
7,776 |
40,13 |
13,1 |
10,6 |
54,7 |
3 |
2 |
2 |
8,52 |
8 |
6,912 |
29,43 |
18 |
14,57 |
62,03 |
4 |
3 |
3 |
11,5 |
7 |
6,048 |
23,2 |
21,05 |
17,03 |
65,3 |
5 |
4 |
4 |
13,68 |
6 |
5,184 |
17,73 |
24,8 |
20,07 |
69,61 |
6 |
5 |
5 |
16,25 |
5 |
4,32 |
14,05 |
26,5 |
21,44 |
69,7 |
7 |
6 |
6 |
18,19 |
4 |
3,456 |
10,49 |
29,1 |
23,55 |
71,37 |
8 |
7 |
7 |
22,16 |
3 |
2,592 |
8,22 |
27,2 |
22,0 |
70,97 |
9 |
8 |
8 |
25,3 |
2 |
1,728 |
5,46 |
27 |
21,85 |
68,93 |
10 |
9 |
9 |
31,35 |
1 |
0,864 |
3,01 |
23,3 |
18,85 |
65,65 |
Wnioski.
Celem mojego ćwiczenia jest zastosowanie reguł faz Gibbsa przy badaniu układu trójskładnikowego. Reguła faz wiąże ze sobą liczbę faz, β, liczbę składników niezależnych, α i liczbę stopni swobody, s:
s = α - β + 2
Skład badanego układu trójskładnikowego przedstawię posługując się trójkątnym układem współrzędnych. Wykres ma postać trójkąta równobocznego, którego wierzchołki reprezentują czyste składniki (w badanym układzie woda, ksylen, etanol), boki trójkąta układy dwuskładnikowe, a pole trójkąta - układy trójskładnikowe. Oznaczam na wykresie układy o jednakowej zawartości składników (linie proste poprowadzone równolegle do boku trójkąta leżącego naprzeciw wierzchołka reprezentującego dany składnik i w odpowiedniej do niego odległości, zależnej od zawartości procentowej danej substancji w roztworze). Następnie zaznaczam na rysunku obliczone składy procentowe (% wagowe mieszanin jednofazowych). Łącząc oznaczone punkty otrzymujemy zależność fazową badanych substancji w stałej temperaturze, zwanej izotermą mieszania.
Mieszając wodę z ksylenem w stosunku 0,5 : 9,5 otrzymałam układ dwufazowy faz ciekłych, złożony z roztworu wody w ksylenie (punkt A), oraz roztworu ksylenu w wodzie (punkt A'), dodanie pewnej ilości etanolu do układu przedstawionego punktem A zmienia jego położenie do punktu A1. Ilość dodanego etanolu nie jest przypadkowa a wynika z przejścia z układu dwufazowego do jednofazowego. Analogicznie postępuję przy oznaczeniu kolejnych punktów przejścia między fazami dla pozostałych proporcji mieszaniny wody i ksylenu. Łącząc oznaczone punkty otrzymałam linię równowagi. Dzieli ona pole trójkąta na dwa obszary: obszar układów dwufazowych, oznaczony 1, zawarty pomiędzy bokiem trójkąta i linią równowagi, oraz jednofazowy obszar roztworów nienasyconych, oznaczony 2, zawarty pomiędzy linią równowagi i pozostałymi bokami trójkąta.
Z wykresu widzimy, że dodatek metanolu powoduje polepszenie się wzajemnej rozpuszczalności wody i ksylenu, dzięki czemu składy obu roztworów nasyconych względem tych składników zbliżają się do siebie (przy 69,7% ilości etanolu).
Z wykresu wynika, że woda i ksylen nie rozpuszczają się nawzajem w stopniu nieograniczonym. Trzeci składnik, etanol, rozpuszcza się bez ograniczeń zarówno w wodzie jak i w ksylenie.
4
Wyszukiwarka