Michał Kwiatkowski

RÓWNOWAGI FAZOWE W UKŁADACH TRÓJSKŁADNIKOWYCH TYPU CIECZ-CIECZ

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywej binodalnej (izotermy) rozpuszczalności układu trójskładnikowego: woda-toluen-aceton i woda-toluen-propanol.

APARATURA:

• Biureta cyfrowa o pojemności 25 cm³

• Pipety miarowe o pojemności 10 cm³ - 3 sztuki

• Pipety miarowe o pojemności 2 cm³ - 3 sztuki

• Probówki z doszlifowanymi korkami - 16 sztuk

• Pompka

ODCZYNNIKI:

• toluen

• aceton

• propanol

• woda destylowana

Skład mieszanin trójskładnikowych podajemy za pomocą trójkąta Gibbsa. Trójkąt ten jest

trójkątem równobocznym ,którego trzy wierzchołki odpowiadają czystym składnikom A,B,C, boki układom dwuskładnikowym A-B,B-C,A-C, natomiast cała powierzchnia układowi trójskładnikowemu A-B-C. Aby znaleźć zawartość poszczególnych składników w układzie ,którego skład odpowiada punktowi D wewnątrz trójkąta ,kreślimy z tego punktu odcinki aD,bD,cD ,które są równoległe do każdego z boków.

Znając te odcinki i długość boku trójkąta można określić zawartość poszczególnych składników za pomocą zależności: A=aD/AB ,B=bD/AB ,C=cD/AB.

D

Na wzajemną mieszlność cieczy ma wpływ temperatura. Na ogół wzajemna mieszalność cieczy rośnie wraz ze wzrostem temperatury jednak zdarzają się takie układy ,których mieszalność maleje ze wzrostem temperatury.

Diagram równowagi ciecz-ciecz układu zawierającego jedną parę częściowo

mieszalną tworzy trójkąt ,który podzielony jest na dwa obszary przez krzywą binodalną. Krzywa ta cały układ rozkłada na dwa obszary -I ,który odpowiada układowi jednofazowemu i obszar -II odpowiadający układowi dwufazowemu.

I

II

PRZEBIEG DOŚWIADCZENIA:

1. Sporządzamy dwuskładnikowe roztwory toluen-aceton i toluen-propanol o różnych stężeniach, odmierzając pipetami do probówek toluen, aceton i propanol w ilościach podanych w poniższych tabelach.

2. Następnie miareczkujemy otrzymane roztwory wodą destylowaną do pierwszego trwałego zmętnienia przy pomocy biurety cyfrowej. Tym sposobem otrzymujemy po 7 trójskładnikowych mieszanin dla acetonu i propanolu leżących na izotermie rozpuszczalności to znaczy izotermie przejścia z układu jednofazowego do dwufazowego.

Stężenia poszczególnych składników wyrażam w procentach objętościowych

korzystając ze wzoru:

V₁ = V₁^. 100% / (V_c) gdzie: V_c = V₁+V₂+V₃ (objętość mieszaniny)

V₁-zawartość 1 składnika

V₂-zawartość 2 składnika

V₃-zawartość 3 składnika

Wykonam przykładowe obliczenia dla:

V_(toluenu)=9cm³ V_(aceton)=1cm³ V_(wody)=0,16cm³

V_(toluenu)= (9cm³ /10,16cm³) ^. 100% =88,6%

Pozostałe wyniki umieszczam w poniższych tabelach:

Nr probówki	Toluen		Aceton		Woda
		ml	% v/v	ml	% v/v	ml	% v/v
I	9	88,6	1	9,8	0,16	1,6
II	8	79,6	2	19,6	0,18	1,8
III	6	58,8	4	39,2	0,20	2,0
IV	4	38,5	6	57,8	0,38	3,7
V	2	17,1	8	68,5	1,68	14,4
VI	1	6,9	9	61,7	4,58	31,4
VII	0,5	2,9	9,5	53,8	7,65	43,3

Nr probówki	Toluen		Propanol		Woda
		ml	% v/v	ml	% v/v	ml	% v/v
I	9	88,5	1	9,8	0,17	1,7
II	8	78,2	2	19,6	0,23	2,2
III	6	56,8	4	37,8	0,57	5,4
IV	4	35,5	6	53,2	1,28	11,3
V	2	14,8	8	59,1	3,54	26,1
VI	1	4,5	9	40,3	12,33	55,2
VII	0,5	1,5	9,5	30,4	21,3	68,1

WNIOSKI:

Z ekstrapolacji binody do podstawy trójkąta (sytuacja w której udział trzeciego składnika: propanolu lub acetonu; w roztworze jest zerowy) wynika, że wzajemna rozpuszczalność wody w toluenie i toluenu w wodzie jest rzędu 0,5% objętości. Oznacza to, że jeżeli do wody dodamy toluenu w ilości nie przekraczającej 0,5% objętości całego roztworu, czyli:

·100%<0,5%; to otrzymamy układ jednofazowy o dwóch stopniach swobody.

Przekroczenie tej objętości spowoduje powstania dwóch faz ciekłych i układ będzie miał jeden stopień swobody (skład jednej fazy będzie decydował o składzie drugiej fazy). Jedną z faz będzie stanowił nasycony roztwór toluenu w wodzie, a drugą nasycony roztwór wody w toluenie, powstają roztwory sprzężone.

Wzajemną mieszalność wody i toluenu zwiększamy dodając trzeciego składnika, który miesza się zarówno z wodą jak i z toluenem (propanol lub aceton). Z diagramu krzywej binodalnej w trójkącie Gibbsa wynika, że jeżeli w układzie propanol stanowi więcej niż 68% objętość całego układu to może istnieć tylko jedna faza ciekła nie zależnie od wzajemnego stosunku objętości wody i toluenu (powierzchnia nad krzywą binodalną). Podobną sytuację osiągamy dla układu toluen -woda -aceton, jeżeli aceton przekracza 68% objętości całego układu.

Z różnego przebiegu krzywych binodalnych dla dwóch układów: toluen - woda - propanol toluen - woda - aceton wnioskujemy, że propanol powoduje bardziej równomierny podział składników między dwie fazy (krzywa jest symetryczna) natomiast krzywa binodalna w układzie z propanolem jest nie symetryczna i nachylona w kierunku większej zawartości wody, co wskazuje na to, że faza bogata w wodę zawiera mniejszy ułamek toluenu niż powstająca z nią druga faza, która zawiera większy ułamek wody w porównaniu z ułamkiem toluenu w poprzedniej.

c

b

a

A

C

B

---