Двухкомпонентные жидкие растворы в равновесии со своим насыщенным паром

Целью данной работы является анализ данных по равновесию жидкость-пар в системе H2O–HNO3, построение диаграммы, проведение некоторых расчетов в соответствии с типом диаграммы и заданными условиями. ...

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 13
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 22

В настоящее время физико-химический анализ находит широкое применение во многих отраслях науки и техники. Химия, химическая технология, металлургия, геология, солевая промышленность опираются на данные физико-химического анализа систем различной компонентности, на выведенные закономерности.
Графическое изображение взаимодействий, происходящих в системах при изменении условий (зависимость состав-свойство) позволяют глубже проникнуть в суть происходящих фазовых превращений, управлять процессами фазообразования на практике, что делает физико-химический анализ незаменимым спутником любого физхимика-экспериментатора

На данных диаграммах (с максимумом и минимумом) также имеются азеотропные точки (обозначены M).Имеется правило, аналогичное второму закону Гиббса – Коновалова и формулирующееся следующим образом: экстремуму на кривой точек кипения двойной жидкой системы отвечают жидкие и парообразные фазы с одинаковым составом. При кипении смеси, состав которой точно отвечает экстремуму кривой точек кипения, состав выделяющегося пара такой же, как и кипящей жидкости, благодаря чему не происходит перераспределения компонентов между жидкостью и паром, составы равновесных фаз не изменяются, не изменяется и температура кипения. Поэтому азеотропные смеси, кипящие при постоянной температуре, называются ещё постоянно кипящими или нераздельно кипящими смесями.Азеотропные (нераздельно кипящие) смеси находят свое применение в лабораториях и на производстве.На свойстве жидкостей кипеть нераздельно основан метод определения воды в нефти и нефтепродуктах по Дину-Старку. Метод основан на свойстве воды и толуола образовывать азеотропную смесь, кипящую при температуре ниже температуры кипения воды и толуола (84,1°С при температурах кипения воды 100°С, толуола 110,62°С). При добавлении в нефтепродукт, содержащий воду толуола и последующей перегонке, нераздельно кипящая смесь испаряется из нефти, толуол увлекает за собой воду из нефтепродукта. Дистиллят скапливается в специальной ловушке Дина-Старка. Поскольку толуол и вода практически не растворяются друг в друге, охлажденный дистиллят разделяется на воду и толуол. Плотность толуола ниже плотности воды, поэтому капли воды собираются в нижней, калиброванной части ловушки. Определяя объем отогнанной воды и зная объем (массу) взятого на анализ нефтепродукта, определяют массовое содержание воды в нефтепродукте.На этом же свойстве основывается так называемая азеотропная сушка продуктов. Добавляя в полученный продукт реагент-осушитель, который образует нераздельно кипящую смесь с водой, можно путем перегонки при температуре азеотропной точки удалить из продукта воду. Технологически наиболее выгодно для таких целей выбирать систему, в которой азеотропная точка с водой находится в минимуме (на диаграмме x, t, p=const). Это позволяет снизить энергетические затраты при отгонке воды. Реагент-осушитель, как правило, используют многократно, что делает азеотропную сушку достаточно экономически выгодным технологическим приемом.На применении диаграмм кипения основана теория перегонки смесей. Различают три вида такой перегонки: простую, фракционированную и перегонку в равновесии.При простой, или, как её называют иначе, дифференциальной, перегонке смеси состава a (рис.6) пар отводится в холодильник, где он и конденсируется. Если в течение некоторого времени жидкость в перегонном кубе приобрела в результате перегонки состав b, то пар, который в начале перегонки имел состав а, теперь имеет состав b; весь же сконденсировавшийся в этот промежуток времени пар изображается точкой, лежащей между а' и b' . Таким образом, в этот момент достигнуто некоторое разделение исходной жидкости на две; одна из них относительно богаче компонентом А, а другая – компонентом B. Такая перегонка более или менее эффективна при большой разнице температур кипения компонентов.Рис. 6. Диаграмма простой перегонкиПри фракционированной, или дробной, перегонке собирается и конденсируется выходящий из перегонного куба пар отдельными порциями. Пусть состав исходной жидкости а1 (рис.7); при нагревании её до кипения она начинает выделять пар состава b1; через некоторое время состав жидкости будет а2, а всего выделившегося пара – b2; конденсацией этого пара и получают первую фракцию состава b2; продолжая вести перегонку таким же образом и дальше, получают следующую фракцию состава b3 и так далее. Теперь подвергают перегонке первую фракцию состава b2 и получают из нее фракции с1, с2 и т.д. Далее разгоняют на фракции вторую смесь состава b3 и поступают аналогичным образом со всеми фракциями. Из рис. 7 видно, что мы получим целый ряд фракций, обогащенных более летучим компонентом В. На практике при проведении дробной перегонки соединяют полученные фракции с близким составом, а потом подвергают полученные смеси перегонке. В конце концов получают две фракции: одну – сильно обогащенную компонентом А, а другую – компонентом В. Рис. 7. Диаграмма фракционированной перегонкиПри достаточно долгом проведении этой операции можно получить даже практически чистые компоненты. На заводах часто видоизменяют описанный способ перегонки и применяют так называемую ректификацию, при которой дробная перегонка при помощи особых ректификационных колонн ведется непрерывно, причем смешение фракций производится автоматически.При третьем способе перегонки – перегонке в равновесии – испарение смеси ведут, не отделяя от нее пара, и только в известный момент производят это отделение и конденсацию. Пусть исходная смесь имеет состав а (рис. 6); нагреваем ее, причем первый выделяющийся из нее пар имеет состав а; через некоторое время состав жидкости будет b, а пара b. В этот момент отделяем и конденсируем пар, причем получаем две жидкости – b и b, обогащенные по сравнению с исходной жидкостью состава а: первая – компонентом А, а вторая – компонентом В. В результате перегонки получают фракции, обогащенные одна одним, а другая другим компонентом. Подвергая эти фракции перегонке, добиваются дальнейшего обогащения вплоть до разделения компонентов. Однако последнее возможно лишь в том случае, когда в системе нет азеотропных смесей; если же в системе имеются такие смеси, то исходную жидкость можно разделить перегонкой на эту смесь и тот компонент, который присутствует в избытке по сравнению с составом этой смеси.При расчете перегонных аппаратов имеют значение так называемые кривые, или диаграммы равновесия, которые строятся следующим образом: откладывают по одной оси прямоугольной системы координат состав пара, а по другой – состав жидкости, находящейся в равновесии, причем давление считается постоянным. Таким образом, полученная диаграмма показывает зависимость между составом пара и соответствующей жидкостью при температурах кипения последней [21-25].ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬВ табл. 1 представлены данные, по которым необходимо произвести построения зависимостей состава пара от состава жидкой фазы, построения зависимости температуры кипения от состава смеси, определить температуру кипения смеси, содержащей 55 % мол. HNO3, определить состав первого пузырька пара. Необходимо определить при какой температуре исчезнет последняя капля жидкости и какой ее состав. Также необходимо определить состав пара, находящегося в равновесии с жидкой бинарной системой, кипящей при температуре 388 К. Необходимо определить, какой компонент и в каком количестве (по массе) может быть выделен из системы, содержащей 81 кг HNO3и 19 кг H2O. Необходимо вычислить, сколько HNO3 (кг) будет в парах и в жидкой фазе, если 2 кг смеси, содержащей 55 молярных процентов вещества HNO3, нагреть до температуры 388 К. Необходимо определить вариантность системы в азеотропной точке.Таблица 1Исходные данные по равновесию жидкость – пар в системе H2O – HNO3Содержание HNO3, % мол.Температура кипения, КЖидкая фазаПар0.00.0373.08.40.6379.512.01.8385.022.16.6391.530.816.6394.638.338.3394.940.260.2394.046.575.9391.053.089.1385.061.592.1372.0100.0100.0357.0На рис. 8 представлена зависимость состава пара от состава жидкости в системе H2O – HNO3.Рис.8. Зависимость состава пара от состава жидкой фазы в системе H2O – HNO3На рис. 5 приведена зависимость температуры кипения от состава смеси.Для определения температуры кипения смеси, содержащей 55 % мол. HNO3необходимо провести вертикальную линию на зависимости температуры кипения от состава смеси (рис.9) от состава смеси (55 % мол.HNO3) до пересечения с линией жидкой фазы. Точка пересечения соответствует температуре 382 К.Для определения состава первого пузырька пара можно воспользоваться как зависимостью температуры кипения от состава смеси (рис.9), так и зависимостью состава пара от состава жидкой фазы(рис.8) в системе H2O – HNO3.Можно провести вертикальную линию от оси абсцисс (55 % мол. HNO3) до пересечения с линией зависимости. Точка пересечения (90 % мол. HNO3) дает состав пара, находящегося в равновесии с жидкой фазой, содержащей 55 % мол. HNO3.Рис.9. Зависимость температуры кипения от состава смесиДля определения состава первого пузырька пара по зависимости температуры кипения от состава смеси необходимо провести горизонтальную линию от точки кипения жидкой смеси (55 % мол. HNO3, 382 К) до пересечения с линией пара (90 % мол., 382 K).Точка пересечения дает состав первого пузырька пара.При дальнейшем испарении и увеличении температуры состав жидкости будет изменяться по линии жидкой фазы по направлению, указанному стрелочками, состав последней капли жидкой фазы будет соответствовать составу азеотропной точки – 38,3 % мол. HNO3, последняя капля жидкой фазы исчезнет при температуре 394.9 K.Для определения состава пара, находящегося в равновесии с жидкой бинарной системой, кипящей при температуре 388 К, необходимо обратиться к зависимости температуры кипения от состава смеси (рис.10). На диаграмме имеется две жидкие смеси, кипящие при температуре 388 К. Одна содержит 16,76 % мол. HNO3, другая – 49,79 % мол. HNO3. Проведя соответствующие горизонтальные прямые найдем для смеси, содержащей 16,76 % мол. HNO3состав равновесного пара – 4,10 % мол. HNO3, для смеси, содержащей 49,79 % мол. HNO3составравновесногопара – 82,36 % мол. HNO3.Рис. 10. Дополнительные построения на зависимости температуры кипения от состава смесиДля определения, какой компонент и в каком количестве (по массе) может быть выделен из системы, содержащей 81 кг HNO3и 19 кг H2O, необходимо посчитать молярную массу азотной кислоты и воды.Mr(HNO3) = 1+14+16*3=63 г/моль.Mr(H2O) = 1+1+16 = 18 г/моль.Теперь можно вычислить количество молей азотной кислоты и воды в смеси, содержащей 81 кг HNO3и 19 кг H2O:ν(HNO3) = 81000/63 = 1285.714 моль.ν(H2О) = 19000/18 = 1055,556 моль.Сумма молей равна 1285,714+1055,556 = 2341,27 моль.Мольный процент азотной кислоты равен 1285,714*100/2341,27 = 54,92 % мол. HNO3. Мольный процент воды равен 1055,556*100/2341,27 = 55,08 % мол.Нанесем состав, содержащий 54,92 % мол. HNO3на диаграмму и определим температуру кипения данного состава.Данный состав будет кипеть при температуре 382 К (состав ~ 55 мол. HNO3). Следовательно при испарении состав жидкой фазы будет изменяться к азеотропной точке со стороны азотной кислоты, обедняясь азотной кислотой.Рассчитаем массовую долю компонентов в азеотропной точке.38,3 мол. HNO3, 61.7 % мол. H2O.Мольный процент азотной кислоты умножим на молярную массу азотной кислоты, получим 38,3 * 63 = 2412,9 условных единиц массы, для воды: 61,7*18 = 1110,6 условных единиц массы. В сумме получим 2412,9+1110,6 = 3523,5 условных единиц массы.Теперь рассчитаем массовый процент составляющих:Массу азотной кислоты (2412,9) разделим на суммарную массу(3523, 5) и умножим на 100: 2412,9/3523, 5*100=68,48 % мас.Массу воды (1110,6) разделим на суммарную массу (3523, 5), умножим на 100: 1110,6/3523, 5*100 = 31,52 %.Таким образом, состав азеотропной точки в массовых процентах следующий(68,48 % мас. HNO3, 31.52 % мас. H2O)Если принять, что вода будет возвращаться в смесь в процессе перегонки, а отгоняться будет только азотная кислота, то до достижения азеотропного соотношения (когда 19 кг воды будет равняться 31,52 % мас. воды, в свою очередь 64,48 % азотной кислоты – 19*64,48/51,58 = 41,27 кг азотной кислоты) может быть отогнано 81-41,27=39,73кг азотной кислоты. Данную задачу можно решить и другим способом. При наличии азеотропной точки исходную смесь можно разделить только на один комонент и азеотропную смесь.Для нахождения массы компонента воспользуемся правилом рычала.