Ограниченно растворимые жидкости.

Ограниченно растворимыми называют жидкости, которые в пределах определенных концентраций и температур образуют одну гомогенную фазу; в другой области концентраций и температур система становится гетерогенной.

По характеру зависимости взаимной растворимости от температуры жидкости делятся на четыре типа: 1) с верхней критической температурой растворения; 2) с нижней критической температурой растворения; З) с верхней и нижней критическими температурами растворения; 4) без критических температур растворения.

Прибавляя анилин (компонент В) к воде (компонент А) небольшими порциями при температуре t и тщательно встряхивая, можно наблюдать, что до определенного состава х₁ (рис. 8,а) система остается прозрачной — образуется однородный не насыщенный раствор анилина в воде. При достижении насыщения воды анилином (состав х₁) дальнейшее добавление анилина вызывает помутнение системы, а при отстаивании — появление нового слоя — насыщенного раствора воды в анилине (состава х₂). Система становится гетерогенной, жидкости более не растворяются друг в друге. В начале количество вновь образовавшегося слоя незначительно, но по мере добавления новых порций анилина оно растет, одновременно уменьшается количество водного слоя. Концентрация слоев при этом остается постоянным.

Наконец, слой, представляющий собой насыщенный раствор анилина в воде, исчезает. Остается раствор воды в анилине. С этого момента снова наблюдается не ограниченная взаимная растворимость жидкостей (область составов от х₂ до 1,0).

Таким образом, в интервале составов от х₁ до х₂ при температуре t в системе сосуществует два насыщенных раствора постоянного состава. С увеличением температуры взаимная растворимость компонентов растет и область гетерогенном состояния уменьшается (при температуре она определяется составами от х₃ до х₄). Температуру, чуть выше которой наступает неограниченная взаимная растворимость компонентов, называют верхней критической температурой растворения t^в_кр (точка К). Температуру соответствующую появлению (или исчезновению) второй фазы, называют температурой гетерогеннизации (или гомогенизации) раствора данного состава. Таким образом, кривая LКС показывает зависимость температуры гомогенизации (или гетерогеннизации) растворов от их состава. Ветвь LК характеризует зависимость растворимости анилина в воде, а КС — воды в анилине от температуры. Любая точка на кривой LКС отражает составы насыщенных растворов выше кривой — поле 1 гомогенного состояния системы; слева — ненасыщенный раствор анилина в воде, справа — воды в анилине. Система в этом состоянии имеет две степени свободы (С=2-1+1=2), т.е. произвольно можно задавать температуру и состав. Область под кривой LKC отвечает двух фазному моновариантному состоянию системы (С=2-2+1=1), т.е. равновесные состояния из двух насыщенных растворов определенных составов возможно при строго заданной температуре. Например, фигуративная точка М отражает валовый (общий) состав системы. В этом случае система в равновесном состоянии двухфазна; составы фаз находят на пересечении изотермы, проведенной через точку М до пересечения с кривыми растворимости. Точка 1 характеризует состав насыщенного раствора анилина в воде или водный слой (х_в=0.1) и точка 2 — воды в анилине или анилиновый слой (х_в=0,95).

При изотермическом изменений валового состава системы, что соответствует перемещению фигуративной точки М в N, в системе увеличивается масса анилинового слоя и уменьшается масса водного слоя. Составы насыщенных растворов не меняются.

Рассмотрим пример охлаждения не насыщенного раствора анилина в воде состава х₃ заданного точкой D. При охлаждении раствора до температуры t’ образуется анилиновый раствор состава х₄ (точка 2’), которой обогащен анилином по сравнению с водным слоем. Следовательно, водный слой при дальнейшем охлаждении обогащается водой и его состав изменяется по кривой LК, а состав анилинового слоя —по кривой КС вниз (по направлению стрелок).

Ограниченно растворимые жидкости с критической температурой растворения (триэтиламин — вода, диэтиламин — вода). У жидкости данного типа взаимная растворимость компонентов А и В растет с уменьшением температуры и чуть ниже критической температуры растворения t^н_кр наступает неограниченная растворимость (рис. 8,б). Смысл полей, линий, точек и примеры чтения диаграммы аналогичный первому типу диаграмм.

рис. 8

Ограниченно растворимые жидкости с верхней и нижней критическими температурами растворения (никотин-вода).

рис. 9

Ограниченно растворимые жидкости с верхней и нижней критическими температурами растворения (никотин-вода).

У жидкостей этого типа наименьшая взаимная растворимость при температуре t (рис. 9), затем растворимость растет и при увеличении, и уменьшении температуре. Для них характерны две критические температуры растворения. Выше t^в_кр и ниже t^н_кр наступает неограниченная растворимость компонентов друг в друге. Смысл обозначений и способы чтения диаграммы аналогичны таковым для первого типа диаграмм.

Существование верхней и нижней критических температур растворимости объясняется при помощи принципа подвижного равновесия Ле Шателье-Брауна. Если жидкая двухфазная система нагревается, и взаимное растворение фаз сопровождается поглощением теплоты, то с повышением температуры растворимость увеличивается и должна существовать верхняя критическая температура растворимости. Если, наоборот, растворение сопровождается выделением теплоты, то это приводит к появлению нижней критической температуры растворимости. Если при изменении температуры растворимости. Если при изменении температуры теплота растворения меняет знак, то это приводит к появлению верхней и нижней критических температур растворимости. Критическую точку растворимости на кривой расслаивания определяют, пользуясь правилом прямолинейного диаметра Алексеева, согласно которому середины коннод, соединяющих фигуративные точки сопряженных растворов, лежат на прямой линии, проходящей через верхнюю и нижнюю критическую точку растворимости.

ВНИМАНИЕ! ПРИ РАБОТЕ С ФЕНОЛОМ СОБЛЮДАЙТЕ ОСТОРОЖНОСТЬ – ФЕНОЛ ЖЖЕТ РУКИ!

Построение диаграммы растворимости системы вода-фенол

Приборы и реактивы: Фенол 75%, термометр (0-100ºС), пробирки, водяная баня, стаканчики.

Готовится 70% раствор фенола в воде. Наливаем его в широкую пробирку, опускаем термометр.

70% раствор фенола готовится из 75% раствора фенола, разбавлением его водой. Т.к. плотность 75% раствора фенола равна 1,066, то 6 мл раствора весят 6,396 г.(6х1,066=6,396г.). В 6 мл 75% раствора содержится чистого фенола 4,797 г.

6,396 – 100%

Х – 75%

Количество воды, которое необходимо добавить для получения 70% раствора, рассчитывается следующим образом: 70 г. фенола содержится в 100 г раствора,

4,797 г. ------------------------- Х₁ раствора.

(общая масса раствора)

6,853 – 6,396 = 0,457 г. (масса воды), т.е. для получения 70% р-ра фенола необходимо к 6 мл 75% р-ра добавить 0,457 мл воды

(ρ воды=1).

В приготовленном 70% растворе определяем температуру гомогенизации. Для этого нагреваем пробирку с раствором на водяной бане, при помешивании и отмечаем температуру исчезновения мути. После этого пробирку вынимаем из бани и охлаждаем на воздухе, также помешивая. Теперь отмечаем температуру появления мути. (Нагревание и охлаждение раствора фенола проводят 2-3 раза, для получения точного значения температуры).

Далее готовят 65% раствор фенола разбавляя 70% раствор. Необходимое количество воды рассчитывается следующим образом:

65 г. фенола содержится в 100 г. раствора

4,797-----------------------------Х₂ г. раствора

7,380 – 6,852 = 0,527 г. воды

Следовательно, в пробирку нужно добавить 0,527 мл воды. Приготовив таким образом, раствор фенола 65% раствор фенола, определяем аналогичным образом температуру гомогенизации. Затем готовим последовательно 60%, 50% и 35% растворы фенола в воде и находим температуру гомогенизации для каждого раствора.

Для получения значений температуры гомогенизации на второй ветви кривой, готовим сначала 20% раствор фенола в воде. Наливаем в пробирку 1,5 мл 75% раствора и добавляем к нему такое количество воды, чтобы получился 20% раствор. Расчеты проводим таким образом, как было описано выше. После этого определяем для 20% раствора температуру гомогенизации. Затем последовательно готовим 14%, 10% и 8,5% растворы фенола, каждый раз добавляя необходимое количество воды, и находим температуры гомогенизации для каждого раствора.

По полученным данным строим диаграмму фенол-вода, откладывая на оси ординат температуру гомогенизации, а на оси абсцисс – состав. После этого по графику находим температуру и состав критической точки.

Оформление работы:

1. Кратко описать содержание работы.

2. Рассчитать количество воды, которое необходимо добавить к исходному 75% раствору фенола в воде для 70%, 65%, 60%, 50%, 35%, 20%, 14%,10% и 8,5% растворов.

3. Записать значения температур гомогенизации для растворов фенола в таблицу: