GRUPA NR: ZESPÓŁ: |
ĆWICZENIE NR: 9
Trójkąt Gibbsa |
|
ZESPÓŁ: |
|
OCENA:
|
1. Wstęp teoretyczny
Trójkąt Gibbsa
W układach trzech cieczy wszystkie składniki mogą być całkowicie mieszalne, np. woda- metanol- etanol lub układ może zawierać jedną, dwie lub trzy pary cieczy częściowo mieszalnych. Przy stałym ciśnieniu i temperaturze można na płaszczyźnie przedstawić diagram fazowy takiego układu trójskładnikowego. W tym celu wykorzystuje się trójkąt Gibbsa, na którym można przedstawić skład układu trójskładnikowego.
Trójkąt Gibbsa jest trójkątem równobocznym. Wierzchołki trójkąta odpowiadają czystym składnikom A, B lub C. Boki trójkąta AB, BC i AC odpowiadają układom dwuskładnikowym. Każdy punkt leżący wewnątrz trójkąta przedstawia układ trójskładnikowy. Wszystkie punkty leżące na prostej przechodzącej przez jednen z wierzchołków mają tę właściwość, że stosunek zawartości pozostałych dwóch składników na tej prostej
jest stały.
Reguła faz Gibbsa
Zmiennymi intensywnymi, określającymi stan układu α - składnikowego i β - fazowego są: temperatura, ciśnienie i stężenia (α-1) składników niezależnych w każdej z faz z osobna. W sumie dla całego układu, niezależnych zmiennych stężeniowych jest β(α-1). Wszystkich natomiast zmiennych intensywnych łącznie z dwiema zmiennymi p i T będzie β(α-1)+2.
* W przypadku równości liczby zmiennych i liczby warunków równowagi :
β(α-1)+2 = α (β-1)
można doprowadzi do osiągnięcia przez układ stanu równowagi fazowej przy ściśle określonym doborze wartości każdej ze zmiennych.
* Jeżeli liczba warunków równowagi przeważa nad liczbą zmiennych :
α (β-1) > β(α-1)+2
to wówczas układ taki jest nie rozwiązywalny.
*Jeśli natomiast niezależnych zmiennych jest więcej niż warunków równowagi :
α (β-1) < β(α-1)+2
to dla zrealizowania stanu równowagi wystarczy dobrać wartości tylko niektórych zmiennych, zachowując nie zmienione wartości pozostałych.
Różnica tych liczb :
[ β(α-1)+2 ]-[ α (β-1)] = α - β + 2
nosi nazwę liczby stopni swobody układu (s)
Liczba ta określa liczbę zmiennych, których wartości można zmieniać dowolnie (w pewnych granicach), przy czym zmiana ta wywołując naruszenia stanu równowagi nie spowoduje jednak zmiany liczby faz.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie stężeń przy jakich układ dwu fazowy trójskładnikowy ulega homogenizacji i wykreślenie izotermy rozpuszczalności na diagramie Gibbsa. Wzajemna rozpuszczalność dwóch praktycznie nie mieszających się cieczy ulega znacznemu zwiększeniu po dodaniu trzeciego składnika. Zjawisko to będziemy badać przy założonej temperaturze.
3. Zadane parametry
Dane są czyste substancje: woda, toluen i metanol. Na podstawie miareczkowania metanolem roztworu woda - benzen wyznaczamy punkty na binodzie ograniczającym zakres częściowej rozpuszczalności badanego układu trójskładnikowego w temperaturze 30°C.
4. Sposób wykonywania ćwiczenia
- Napełniamy dwie biurety; pierwszą metanolem, a drugą wodą destylowaną.
- Objętość substancji wlewanych z biurety jest mierzona w temperaturze pomieszczenia tj. ok. 22°C. Obserwowane przemiany w zlewce zachodzą pod stałą temperaturą zadaną przez prowadzącego, tj. 30°C.
- Do zlewki wlewamy 8 cm3 toluenu i pierwszą porcję wody (0,5 cm3). Uzyskujemy układ dwufazowy dwuskładnikowy: woda nasycona niewielka ilością toluenu (faza dwuskładnikowa) w równowadze z roztworem toluenu nasyconego wodą. Ten heterogeniczny układ miareczkujemy metanolem do uzyskania klarownego, jednofazowego układu homogenicznego.
- Po zmiareczkowaniu do tego roztworu homogenicznego dodajemy 0,5 lub 1 cm3 wody. Powstanie znowu układ dwufazowy, który ponownie miareczkujemy metanolem. Kolejne czynności hetero- i homogenizacji alkoholem prowadzimy kilkakrotnie. Kolejne wyniki miareczkowania notujemy.
5. Wyniki pomiarów
Pomiar przy temperaturze 32°C
Pomiar |
Objętość [cm3] |
Ułamek wagowy |
Ułamek molowy |
||||||
|
toluen |
metanol |
woda |
toluen |
metanol |
woda |
toluen |
metanol |
woda |
1 |
8 |
5,2 |
0,5 |
0,601 |
0,356 |
0,043 |
0,326 |
0,555 |
0,119 |
2 |
8 |
9,2 |
1,0 |
0,456 |
0,479 |
0,065 |
0,221 |
0,635 |
0,154 |
3 |
8 |
15,1 |
2,0 |
0,334 |
0,571 |
0,095 |
0,135 |
0,667 |
0,198 |
4 |
8 |
19,9 |
3,0 |
0,271 |
0,613 |
0,116 |
0,103 |
0,671 |
0,226 |
5 |
8 |
21,8 |
3,5 |
0,252 |
0,622 |
0,126 |
0,094 |
0,666 |
0,240 |
6 |
8 |
23,5 |
4,0 |
0,236 |
0,629 |
0,135 |
0,086 |
0,661 |
0,253 |
7 |
8 |
25,5 |
4,5 |
0,220 |
0,638 |
0,142 |
0,079 |
0,660 |
0,261 |
8 |
8 |
34,4 |
7,0 |
0,169 |
0,661 |
0,170 |
0,058 |
0,647 |
0,295 |
9 |
8 |
37,15 |
8,0 |
0,157 |
0,663 |
0,180 |
0,053 |
0,639 |
0,308 |
10 |
8 |
38,75 |
8,5 |
0,151 |
0,665 |
0,184 |
0,050 |
0,637 |
0,313 |
11 |
8 |
39,75 |
9,5 |
0,146 |
0,656 |
0,198 |
0,048 |
0,620 |
0,332 |
12 |
8 |
40,75 |
10,5 |
0,140 |
0,649 |
0,211 |
0,046 |
0,605 |
0,349 |
6. Wnioski końcowe
Metanol miesza się z wodą bez ograniczeń w każdym stosunku. Benzen z wodą tworzą układ o ograniczonej rozpuszczalności. Kolejne porcje metanolu powodują polepszenie wzajemnej rozpuszczalności cieczy.
Miareczkowanie kwasem octowym mieszaniny benzenu i wody pozwoliło nam na znalezienie punktów potrzebnych do wykreślenia binody, mówiącej o składzie obu faz.
Po każdej zmianie ilości faz w układzie dodawana jest jeden ze składników. Powoduje to, ze układ wraca ze stanu równowagi (punkt na bindzie) do stanu dwufazowego. Dodanie tego składnika zmienia proporcje molowe ( tym samym masowe) układu. Ponowne miareczkowanie tego układu pozwala znaleźć punkt binody.
Ze względu na trudności w utrzymaniu temperatury równej 30°C i wszystkie pomiary dokonano w temperaturze 32°C.
1