Robert Maniura

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 14: Mieszalność krytyczna.

1. Wstęp teoretyczny:

Ciecze różniące się budową, naturą chemiczną lub polarnością w pewnych zakresach składu tworzą dwie fazy ciekłe, z których każda jest nasyconym roztworem jednej cieczy w drugiej.

Diagram fazowy takiego układu wymaga uwzględnienia trzech parametrów: składu, ciśnienia i temperatury. W przypadku mieszalności dwóch cieczy najważniejszy jest wpływ temperatury oraz ułamek molowy każdej z dwu cieczy. Ciśnienie - najczęściej atmosferyczne - jest stałe. Krzywe równowag fazowych są wtedy izobarami.

Diagramy rozpuszczalności dwóch cieczy o ograniczonej rozpuszczalności:

1. fenol - woda

2. trietyloamina - woda

3. nikotyna - woda

a) b) c)

Diagram fazowy na rysunku a) przedstawia przypadek gdy istnieje pewna temperatura, powyżej której ciecze mieszają się bez ograniczeń. Poniżej tej temperatury wzajemna mieszalność jest ograniczona. Po zmieszaniu takich dwu cieczy uzyskuje się dwie fazy ciekłe będące nasyconymi wzajemnie roztworami. Rysunek b) przedstawia przypadek gdy istnieje dolna temperatura krytyczna, poniżej której jest pełna mieszalność, powyżej której dochodzi do rozdzielenia faz. Rozpuszczalność maleje ze wzrostem temperatury. Na rysunku c) jest przedstawiony przypadek gdy istnieją dwie temperatury krytyczne, dolna i górna, poniżej i powyżej których roztwory są jednorodne.

Układ metanol - cykloheksan należy do przypadku, gdy istnieje pewna temperatura, powyżej której ciecze mieszają się bez ograniczeń. Ze wzrostem temperatury następuje homogenizacja- układ staje się jednofazowy. Stanem przejściowym- meta stabilnym- jest opalescencja. Jest to szczególny wypadek rozpraszania światła, wywołuje wrażenie mienienia się ośrodka. Opalescencja jest związana z fluktuacjami gęstości.

2. Opracowanie wyników:

W probówkach przygotowałem mieszaniny metanolu i cykloheksanu o stężeniach w zakresie 0,25 - 0,75 ułamka molowego metanolu. Probówki umieściłem w termostacie. Zwiększając stopniowo temperaturę obserwowałem pojawienie się najpierw opalescencji, następnie homogenizacji roztworów. Na podstawie uzyskanych wyników sporządziłem diagram fazowy badanego układu metanol - cykloheksan. Wyznaczona z wykresu górna krytyczna temperatura rozpuszczalności wynosi 49,65 ^oC przy składzie 0,489 ułamka molowego metanolu i 0,267 ułamka molowego cykloheksanu. Skład obliczyłem posługując się regułą dźwigni:

gdzie:
- długość odcinka między punktami A i B na wykresie (
= 0,40 mm);
- długość odcinka między punktami B i C na wykresie (
= 0,45 mm); x_A - ułamek molowy metanolu w punkcie A (x_A = 0,47); x_C - ułamek molowy metanolu w punkcie C (x_C = 0,51); x - ułamek molowy metanolu w temperaturze krytycznej;

Parametrami zmiennymi są temperatura oraz skład faz ciekłych. Ciśnienie jest stałe. Obszar na zewnątrz krzywej jest obszarem jednej fazy ciekłej, będącej jednorodnym mieszaniną metanolu i cykloheksanu. Obszar  stanowi mieszaninę jednorodną bogatą w cykloheksan (roztwór metanolu w cykloheksanie), a obszar - mieszaninę jednorodną bogatą w metanol (roztwór cykloheksanu w metanolu). Obszar wewnątrz krzywej obrazuje dwie fazy ciekłe: metanol i cykloheksan.

3. Wnioski.

Badany przez nas układ metanol - cykloheksan wykazał górną krytyczną temperaturę rozpuszczalności 49,65⁰C, w porównaniu z danymi tablicowymi, w których GKTR wynosi 49⁰C wykazuje błąd procentowy 13,26 %. Błąd ten mógł być spowodowany błędem przy odczycie temperatury z termometru (skala 0,2 ⁰C).

Opalescencja jest szczególnym przypadkiem rozpraszania światła, występuje głównie w mętnym ośrodku; wywołuje wrażenie mienienia się ośrodka w charakterystyczną dla opalu barwie. Efekt ten jest podobny do efektu Tyndalla. Wywołana jest ona fluktuacjami gęstości roztworów.

Temperaturę opalescencji mierzyłem, aby określić obszar stanów metastabilnych. Jest to taki obszar, w którym jakiś czynnik zewnętrzny np. wstrzaśnięcie może spowodować przejście z układu dwufazowego do jednofazowego. Sugeruje to, że obszar stanów metastabilnych jest nietrwały. Na krzywej homogenizacji GKTR (maximum) jest punktem homogenizacji w górnej krytycznej temperaturze rozpuszczalności. Nad tym punktem znajduje się już układ jednofazowy. Pod krzywymi znajduje się układ dwufazowy, którego skład wyznacza się regułą dźwigni.

4. Literatura:

Stanisław Bursa „Chemia fizyczna”

Praca zbiorowa „Chemia fizyczna” (cegła)

K.Pigoń, Z.Ruziewicz „Chemia fizyczna”

2

---