Laboratorium Chemii Fizycznej

Laboratorium Studenckie

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 12.

Temat ćwiczenia: Równowaga fazowa ciecz-ciecz w układzie

trójskładnikowym

Cel ćwiczenia:

1. Wyznaczanie izotermy rozpuszczalności w układzie

Chloroform-woda-kwas octowy.

2.Wyznaczanie cięciwy równowagi.

Aparatura(I ćwiczenie):

10 kolb stożkowych

3 biurety

termometr

Odczynniki:woda destylowana

chloroform kwas octowy 100%

Aparatura(II ćwiczenie):

Wkraplacz

2 naczynia wagowe

2 pipety 5 cm³

2 kolbki miarowe 250 cm³

Odczynniki:0.05 m NaOH

fenoloftaleina roztwór 1-owy

Wykonali:

Roman Jędrzejewski

Emil Langiewicz

Teoria

Trójkąt równoboczny dzięki swym własnościom nadaje się doskonale do przedstawienia składu układu trójskładnikowego. Zasadnicze cechy diagramu trójkątnego (tzw. Trójkąt Gibbsa) są następujące:

1. każdy wierzchołek trójkąta przedstawia jeden czysty składnik,

2. punkty leżące na bokach trójkąta przedstawiają mieszaniny dwuskładnikowe,

3. punkty leżące wewnątrz trójkąta przedstawiają mieszaniny trójskładnikowe,

4. linia równoległa do jednego boku przedstawia mieszaniny zawierające stały ułamek składnika leżącego naprzeciw tego boku,

5. aby wyznaczyć punkt o współczynnikach X_A, X_B,X_C, na bokach AC i BC wyznaczamy punkty odpowiadające X_C i łączymy je a na bokach AB i AC odkładamy punkty odpowiadające X_A i łączymy je, punkt przecięcia tych dwu prostych wyznacza poszukiwany skład,

6. linia przechodząca przez jeden z wierzchołków przedstawia mieszaniny zawierające dwa pozostałe składniki w stałym stosunku,

7. gdy miesza się różne ilości dwu mieszanin o składach P i Q otrzymuje się mieszaniny, których składy leżą na linii PQ wewnątrz trójkąta Gibbsa.

W układach 3 cieczy wszystkie składniki mogą być całkowicie mieszalne, bądź też układ może zawierać jedną, dwie lub trzy pary cieczy częściowo mieszalnych.

Na rys. 1 przedstawiono diagram równowagi ciecz-ciecz w układzie trójskładnikowym z jedną parą cieczy częściowo mieszalnych.

A

B C

Powierzchnia ponad krzywą binoidalną (DQE) odpowiada układowi jednofazowemu, powierzchnia pod binodą układowi złożonemu z dwóch faz ciekłych. Układ taki ma jeden stopień swobody, a więc danemu składowi jednej fazy odpowiada określony skład drugiej fazy.

Krzywa DQ przedstawia składy fazy bogatej w składnik B, a krzywa EQ - składy fazy bogatej w C. Obie krzywe zbiegają się w punkcie splotu Q. W tym punkcie składy obu faz stają się identyczne. Linia wiążąca DE (cięciwa równowagi) łączy składy faz pozostających ze sobą w równowadze. Linie wiążące z reguły nie są równoległe do żadnego z boków trójkąta ani nie są równoległe do siebie; niekiedy przecinają się w jednym punkcie.

Trójkąt Gibbsa: reguła faz przewiduje, że w układach trójskładnikowych suma liczby stopni swobody i liczby faz równa jest 5

λ+ϕ=3+2=5

Zatem maksymalna liczba stopni swobody wynosić może 4; w układzie jednofazowym zmieniać się mogą niezależnie temperatura, ciśnienie i stężenia dwóch składników. Ułamek molowy lub wagowy trzeciego jest automatycznie ustalony, bo x₁+x₂+x₃=1 lub w₁+w₂+w₃=1. Ponieważ relacji między czterema zmiennymi nie daje się przedstawić graficznie, trzeba wprowadzić jakieś uproszczenia. Zazwyczaj przyjmuje się, że ciśnienie jest ustalone i wynosi 1 atm. W ten sposób liczba stopni swobody zmniejsza się di trzech. Pozostałe trzy zmienne przedstawia się na wykresie trójwymiarowym, podstawą jest trójkąt równoboczny. Zmienne wyrażające skład odkłada się na osiach trójkąta, a temperaturę na osi pionowej.

CEL ĆWICZENIA

W układzie trójskładnikowym chloroform-kwas octowy- woda obserwuje się

zakres ograniczonej rozpuszczalności. Celem ćwiczenia jest określenie zakresu stężeń, w którym to zjawisko występuje, czyli wyznaczenie izotermy rozpuszczalności oraz cięciwy równowagi.

Wzajemna rozpuszczalność dwu częściowo nie mieszających się cieczy ulega znacznym zmianom pod wpływem dodania trzeciego składnika. Jeżeli ten trzeci składnik jest rozpuszczalny tylko w jednej z dwu cieczy to wzajemna rozpuszczalność maleje. Dodanie zaś składnika dobrze rozpuszczającego się w obu cieczach zwiększa ich wzajemną rozpuszczalność. Zjawiska te są doskonale ilustrowane w układzie CHCL₃-CH₃COOH-H₂0. Gdy dodamy w określonej temperaturze CH₃COOH do mieszaniny wody c CHCL₃ to wzrasta wzajemna rozpuszczalność wody i CHCL₃ przy określonej ilości CH₃COOH mieszanina staje się jednorodna.

WYKONANIE ĆWICZENIA

W kolbach stożkowych ze szlifem sporządza się mieszaniny chloroformu i

lodowatego kwasu octowego o składzie podanym w tabeli. Ciecz odmierza się biuretą. Próbki (w kolejności od 1 do 10) miareczkuje się z biurety, ciągle mieszając, wodą destylowaną aż do zmętnienia. Wyniki miareczkowań notuje się w tabeli. Z otrzymanych wyników należy wykreślić izotermę ograniczającą zakres częściowej rozpuszczalności w układzie chloroform-woda-kwas octowy na wykresie trójkątnym Gibbsa.

Tabela wyników:

Nr pr.	Objętość w cm3			% wag. w roztworze			% molowy w roztworze
	H2O	CH3COOH	CHCl3	H2O	CH3COOH	CHCl3	H2O	CH3COOH	CHCl3
1	0,7	5	30	1,3820	10,3653	88,2527	8,658076	17,316152	74,025772
2	1,1	7	20	2,8758	19,2157	77,9085	15,602929	27,801583	56,595487
3	1,45	8	14	4,7216	27,3527	67,9258	22,366290	34,552061	43,081649
4	3,05	11	10	10,3390	39,1525	50,5085	37,538558	37,907790	24,553652
5	5,45	14	10	15,5492	41,9401	42,5107	47,954334	34,491924	17,553742
6	5,65	12,5	6	20,3861	47,3570	32,2569	54,605266	33,826271	11,568463
7	7,75	13	4	28,3260	49,8904	21,7836	63,587179	29,865462	6,547360
8	11,5	14	2	39,4106	50,3770	10,2125	72,697408	24,780334	2,522258
9	16,3	14	1,5	49,0447	44,2305	6,7248	79,437613	19,104015	1,458372
10	18,5	14	1	53,3295	42,3753	4,2952	81,787845	17,330181	0,881973

a)obliczanie % wagowego w roztworze

np.

V­_H2O = 0,7 cm³

ς_H2O = 1 g/cm³

V_CH3COOH = 5 cm³

ς_CH3COOH = 1,0498 g/cm³

V_CHCl3 = 30 cm³

ς_CHCl3 = 1,4904 g/cm³

b) obliczanie % molowego w roztworze

% molowy A

np.

m_H2O = 1,3820 g

M_H2O = 16 g/mol

∑V = 35,7 dm³

W oparciu o powyższą tabelę sporządza się wykres ograniczonej mieszalności dla układu CHCl₃- H₂O- CH₃COOH wyrażając stężenie w % molowych:

WYKONANIE CZĘŚCI II ĆWICZENIA

Do suchego rozdzielacza wprowadzić następujące objętości poszczególnych

cieczy:

kwas octowy 15 ml

chloroform 30 ml

woda 12 ml

Zawartość rozdzielacza energicznie wstrząsać przez około 10 minut, po czym odstawić w celu rozdzielenia warstw.

Otworzyć korek rozdzielacza i do dwóch odważonych naczynek wagowych wprowadzić próbki po około 5 gram każdej z faz. Próbki dokładnie zważyć, przenieść do kolbek miarowych o pojemności 250 cm³ i dopełnić wodą do kreski.

W celu oznaczenia zawartości kwasu octowego z każdej z faz, pobrać z kolbek próbki 5 cm³ i zmiareczkować 0,05 molowym NaOH wobec fenoloftaleiny do uzyskania lekko różowego zabarwienia. Obliczyć zawartość CH₃COOH w warstwie chloroformowej (faza I) i warstwie wodnej (faza II). Otrzymane wyniki nanieść na izotermę rozpuszczalności, punkty połączyć cięciwą równowagi.

OBLICZENIA

Zawartość CH₃COOH w warstwie chloroformowej (1) i w warstwie wodnej (2) oblicza się ze wzoru:

% wag

gdzie: V_{i NaOH} - objętość 0,05 m NaOH zużyta na miareczkowanie próbki fazy i [cm³]

m_i - naważka próbki fazy i [g]

i = 1,2 nr fazy

Zawartość CH₃COOH w warstwie chloroformowej (1):

gdzie: V₁ = 4 cm³

m₁ = 5,4783 g

% wag

Zawartość CH₃COOH w warstwie wodnej (2):

gdzie: V₂ = 12,4 cm³

m₂ = 4,7194 g

% wag

---