Методика работы
За основу взята методика, приведенная в практикуме /1/. Наиболее доступным методом для построения диаграммы взаимной растворимости трех жидкостей при постоянной температуре является метод титрования.
Таблица 4 – Экспериментальные данные
| Состав смеси, объемные проценты | Состав смеси, мл | ||||
| Состав исходной смеси, объемные проценты | Количество компонента С (Н2О) в смеси (А+В+С), объемные проценты | Состав исходной смеси, мл | Количество компонента С (Н2О), пошедшее на титрование смеси (А+В), мл | ||
| Компонент А, ацетон | Компонент В, толуол | Компонент А, ацетон | Компонент В, толуол | ||
| 3,0 | 97,0 | 0,3 | 9,7 | ||
| 5,0 | 95,0 | 0,5 | 9,5 | ||
| 7,0 | 93,0 | 0,7 | 9,3 | ||
| 8,0 | 92,0 | 0,8 | 9,2 | ||
| 10,0 | 90,0 | 1,0 | 9,0 | ||
| 30,0 | 70,0 | 3,0 | 7,0 | ||
| 50,0 | 50,0 | 5,0 | 5,0 | ||
| 70,0 | 30,0 | 7,0 | 3,0 | ||
| 90,0 | 10,0 | 9,0 | 1,0 | ||
| 92,0 | 8,0 | 9,2 | 0,8 | ||
| 95,0 | 5,0 | 9,5 | 0,5 | ||
| 98,0 | 2,0 | 9,8 | 0,2 | ||
| 99,2 | 0,8 | 9,92 | 0,08 | ||
| 99,4 | 0,6 | 9,94 | 0,06 | ||
| 99,6 | 0,4 | 9,96 | 0,04 |
Метод заключается в следующем: готовят смеси двух растворимых друг в друге жидкостей различного состава (например, смеси компонентов A и В), титруют их третьим компонентом (С, вода) до появления мути. Помутнение указывает на насыщение титруемого раствора третьим компонентом и на появление в системе второй фазы. Для проведения опыта берут три жидкости: ацетон (А), толуол (В), вода (С). Объем исходных жидкостей (ацетон и толуол) и экспериментальные данные оформляют в виде таблицы (таблица 4).
Ацетон и толуол отмеряют либо микробюреткой (малые количества), либо пипеткой (большие количества). Смеси ацетона и толуола готовят в конических колбах на 100 мл с притертыми пробками. Общий объем смеси равен 10мл. Смеси титруют водой из микробюретки до появления мути. Количество приливаемой воды зависит от состава исходной смеси. Если смесь содержит больше толуола, то количество воды мало (может быть несколько капель). В смеси с большим количеством ацетона требуется прилить больший объем воды. После каждой прилитой капли воды колбу закрывают пробкой и тщательно встряхивают. Если муть, исчезающая при стоянии, вновь появляется при встряхивании, титрование считается законченным. Объем воды, пошедший на титрование, вносят в таблицу.
Количество миллилитров воды, пошедшей на титрование, пересчитывают на объемное содержание в процентах, отнесенное к трехкомпонентной системе, по уравнению:
С (Н2О, объемные % %) = 
, (11)
где V1 и V2 – объемы ацетона и толуола, соответственно, взятые для приготовления исходной смеси, мл; V3 – объем воды, пошедший на титрование каждой смеси ацетона и толуола, мл. Содержание в процентах компонентов А и В на трехкомпонентную систему пересчитывать нет необходимости.
Рисунок 14 – Диаграмма растворимости в трехкомпонентных системах типа ацетон-толуол-вода в общем виде.
Экспериментальные и расчетные данные вносят в таблицу (таблица 4). По полученным данным строят диаграмму растворимости. Диаграмма растворимости для тройных систем типа ацетон – толуол – вода в общем виде представлена на рисунке 14. Для построения диаграммы каждую точку на стороне А – В, соответствующую исходным смесям А и В, различного процентного состава, нужно соединить с вершиной треугольника С (100% воды). На этих линиях откладывают объемное содержание воды в процентах, пошедшее на титрование смеси данного состава. Количество воды отсчитывают от стороны А – В, где количество воды равно нулю. Полученные точки соединяют и получают кривую линию, идущую от В к С и направленную выпуклостью к компоненту А. Полученная кривая
a b m n r s называется бинодальной кривой. Она ограничивает гетерогенную область. За пределами бинодальной кривой (слева, справа и вверху) расположена гомогенная область, где три компонента неограниченно смешиваются друг с другом. Приведенная методика построения области расслаивания соответствует свойствам равностороннего треугольника – треугольника Гиббса – Розебома. Использованный в работе метод титрования позволяет построить область расслаивания на диаграмме растворимости, но не дает возможности определить составы соравновесных растворов, направления коннод и положение критической температуры растворимости на бинодальной кривой. На рисунке 14 проведены две конноды через область расслаивания: b r и m n. Для трехкомпонентных систем ноды не параллельны оси состава (на данной диаграмме ноды не параллельны стороне В – С). По правилу Д. Н. Тарасенкова продолжения всех коннод пересекаются в одной точке, лежащей на продолжении той стороны треугольника, к которой прилегает область расслаивания. Область расслаивания прилегает к той стороне треугольника, на которой показан состав двух взаимно нерастворимых жидкостей, в данном случае такой системой является смесь толуол – вода (компоненты В и С ). Продолжения коннод brи mn на рисунке 14 пересекаются на продолжении стороны BC в точке M *.
Контрольные вопросы для защиты лабораторной работы
1. Фазовые равновесия. Общие понятия: фаза, компонент,
число независимых компонентов, число термодинамических степеней свободы.
2. Общие термодинамические условия равновесия в гетерогенных системах и критерий направления процессов в гетерогенных системах.
3. Правило фаз Д. У. Гиббса, вывод..
4. Классификация систем по числу фаз, компонентов, по числу термодинамических степеней свободы.
5. Классификация трехкомпонентных систем ограниченно растворимых жидкостей.
6. Вычисление состава трехкомпонентных систем. Треугольник Гиббса – Розебома, его свойства.
7. Диаграмма растворимости (диаграмма с расслаиванием) трехкомпонентной системы типа ацетон-толуол-вода. Бинодальная кривая. Эмпирическое правило Д. Н. Тарасенкова.
8. Приложение правила фаз Гиббса к диаграмме растворимости ацетон – толуол – вода. Расчет числа термодинамических степеней свободы в разных точках на плоскости диаграммы. Правило рычага.
9. Методика построения области расслаивания на диаграмме растворимости по экспериментальным данным.
10. Объемная диаграмма растворимости трехкомпонентных систем ограниченно растворимых жидкостей.
11. Практическое применение свойств трехкомпонентных систем ограниченно растворимых жидкостей.
Реактивы
1. Ацетон.
2. Толуол.
Посуда
1. Микробюретка на 1 мл – 3 шт.
2. Пипетка на 5 мл – 2 шт.
3. Пипетка на 10 мл – 2 шт.
4. Бюретка на 25 мл – 1 шт.
* Примечание – Лабораторная работа № 3 являлась темой УИРС в учебных группах ТХВ-961 и ТХВ-971. Состав исходных смесей (таблица 4) получен в процессе УИРС.
Литература
1. Практикум по физической химии / Под редакцией И.В. Кудряшова, - М.: Высшая школа. 1986. – С. 205-212, 219-223.
2. Курс физической химии / Под редакцией Я.И. Герасимова. – М.: Химия. Т.1. 1970. – C. 398-411.
5. Инструкция по охране труда при проведении работ в лаборатории кафедры химии №28. 2003.