Задачі з Хімії (стр. 14 из 33)

Подібна задача. Чому дорівнює відношення мольних часток компонентів у парі в стані рівноваги для двокомпонентних ідеальних розчинів? Розглянемо рівняння, яке можна вивести за допомогою закону Рауля N*_A/N*_B = (P^o_AN_A)/(P^o_BN_B), деN*_A - мольна частка компонента А в парі, N*_B - мольна частка компонента В в парі, P^o_A - тиск пари чистого компонента А, P^o_B - тиск пари чистого компонента В, N_A- мольна частка компонента А в рідині, N_B- мольна частка компонента В в рідині. З цього рівняння витікає, що в парі більша мольна частка того компонента, температура кипіння якого менша. Для того, хто не зрозумів, наведемо такий приклад. Візьмемо ідеальний розчин, для якого N_A = N_B. Тоді співвідношення N*_A/N*_Bбуде обов’язково або більше одиниці, або менше, тому що мало імовірне, щоб значення тиску насиченої пари двох різних рідин були однакові, тобто склад рідини і пари в стані рівноваги навіть для ідеальних розчинів буде відмінним. Крім цього, з даного прикладу видно, що в парі буде більше мольна частка того компонента, нормальна температура кипіння якого при атмосферному тиску менша, тому що тиск насиченої пари для такого компонента буде більшим (чим менша температура кипіння, тим більший тиск насиченої пари рідини або можна сказати, тим більш летюча така рідина). (відповідь – рівне відношенню добутків нормального тиску насиченої пари на мольну частку компонентів у розчині)

Задача N 78. За рахунок яких властивостей двокомпонентної рідкої системи її можна розділити на окремі компоненти шляхом перегонки? (відповідь – розділення рідин шляхом перегонки можливе, тому що пара над розчином має інший склад, ніж склад самого розчину рідин)

Подібна задача. Сформулювати та пояснити суть першого закону Коновалова. Пара у порівняні з розчином збагачена тим компонентом, додання якого до розчину збільшує тиск насиченої пари та знижує температуру його кипіння. Це можна сказати ще й так, що в пару переходить більше того компонента, температура кипіння якого менша. Краще це можна пояснити за допомогою діаграми рідина-пара двокомпонентної системи, що складається з рідини А та В.

T O Т₄

Т3

2

Т₂

K L M T₁

1

D

A N₂ N₃ N₁ N₄ N₅ B

Лінія 1 на діаграмі ілюструє залежність температури кипіння розчину відйого складу. Так, наприклад, якщо склад розчину буде N₁, то температура кипіння буде Т₁. Лінія 2 ілюструє залежність складу пари від температури. Так наприклад, якщо розчин складу N₁нагріти до температури Т₁, то рівноважний склад пари над цим розчином буде N₂, тобто пара порівняно з розчином буде збагачена компонентом А, температура кипіння якого менша, отже тиск насиченої пари більше. Якраз про цю важливу властивість розчинів йдеться мова в першому законі Коновалова. (відповідь – пара порівняно з розчином збагачена більш летючим компонентом).

На цій же діаграмі буде зручно пояснити деякі інші можливості такого типу діаграм. Так, якщо розчин складу N₁ нагріти при незмінному тиску до температури Т₂, то в рівновазі будуть знаходитись дві фази: газоподібна (пара)складу - N₃і рідка (розчин) складу - N₄. У таких умовах є можливість визначити за діаграмою співвідношення молів речовини, що перейшла в пару і молів речовини, яка залишилась у рідині. Це можна визначити за так званим правилом важеля,

відповідно до якого n_п/ n_р = LM/KL, деn_п - кількість молів компонентів у парі, n_р - кількість молів компонентів у рідині, LM та KL - довжина відрізків на діаграмі. Якщо продовжувати нагрівати цей же розчин до температури Т₃, то він випарується, вся рідина

перейде в пару, яка буде мати склад N₁. Якщо тепер почати охолоджувати пару складу N₁ від температури Т₄ до температури Т₃, то в стані рівноваги знову виникнуть дві фази: рідина складу N₅ та пара складу N₃ . Тепер зробимо ще один важливий висновок відносно до того, які

залежності ілюструють криві 1 та 2 на діаграмі. Крива 1 ілюструє залежність складу рідкої фази (розчину) від температури при випаровуванні і конденсації в рівноважних умовах. Крива 2 ілюструє залежність складу пари від температури при випаровуванні та конденсації в рівноважних умовах. Підкреслюємо, що уміння “читати” діаграми полягає в тому, щоб розуміти, яку залежність ілюструє кожна з її ліній. Не зайвим буде, з метою повторення, розрахувати число ступенів вільності за Гіббсом у точках діаграми К, М, D та О, для яких С= 1, 1, 0 та 2 , відповідно.

Задача N 79. Визначити за діаграмою стану системи H₂O-CH₃COOH мольну частку води в парі, якщо розчин складу 80 мол.% кислоти нагріти від 100 до 110 ^оС. (відповідь – NН₂Онаближено 32 %)

Подібна задача. Визначити за діаграмою, яка наведена вище, склад рідкої та газоподібної фаз у стані рівноваги, якщо розчин 45 мол.% H₂O нагріти від 100 до 106 ^оС. (відповідь – склад рідини буде 40 мол.% H₂O, а пари - 50 мол.% H₂O)

Задача N 80. Визначити за діаграмою, що наведена до задачі

N79, на які компоненти можна розділити розчин 50 мол. % CH₃COOH за допомогою ректифікації, указавши при цьому, який компонент буде накопичуватись у нижній частині ректифікаційної колони. (відповідь – на воду та оцтову кислоту, внизу колони буде накопичуватись кислота)

Подібна задача.Що таке ректифікація? Ректифікація - це процес поділу розчинів на компоненти, які складають цей розчин, за допомогою багаторазового випаровування та конденсації. Розглянемо схематично процес ректифікації двокомпонентної системи, яка складається з компонентів А та В. Ліворуч на рисунку наведена діаграма рідина-пара, а праворуч схематично зображена ректифікаційна колона.Якщо узяти розчин складу N₁, розмістити його в нижній частині ректифікаційної колони та нагрівати при постійному тиску якимось джерелом теплоти Qp, то відповідно до діаграми цей розчин закипить при температурі Т₁. Пара над ним буде мати склад N₂ та температуру Т₁. Якась кількість цієї пари конденсується, нагріваючи деталі колони, і буде поступово накопичуватися в стані рідини складу N₂з температурою Т₂ на першій тарілці колони. Якщо кількість рідини перевищить рівень трубки на тарілці, вона буде стікати по ній донизу, як це показано стрілками. Процес переносу тепла за рахунок випаровування рідини в нижній частині колони і конденсації пари на першій тарілці буде продовжуватись доти, поки на ній накопичиться рідина і нагріється до температури Т₂, при якій розпочнеться її кипіння відповідно до діаграми. У стані рівноваги на першій тарілці рідина буде мати температуру Т₂ та склад N₂. Важливою обставиною є те, що на першій тарілці рідина суттєво збагачена компонентом А (склад N₂) у порівнянні з рідиною в нижній частині колони (склад N₁). Над рідиною, яка сконденсована на першій тарілці, буде

T T3

N₄

T₃

N₃

T₁T₂

N₃

Т₂

Т₂N₂

T₁

N₂

T₃

T₁

T₄ N₁

А N₄ N₃ N₂ N₁ В Qp

утворюватись пара з температурою Т₂ та складом N₃. Ця пара буде конденсуватися на другій тарілці зі складом N₃ та температурою Т₃. У свою чергу, над цією рідиною буде формуватися пара зі складом N₄, як це видно з діаграми.

Це дуже спрощена схема колони, реально вона може нараховувати сотні тарілок, які також зображені схематично. Але основне те, що на найвищій тарілці буде конденсуватися практично чистий компонент А. На виробництві ректифікаційні колони - це складні та громіздкі агрегати, в котрих рідина, яку потрібно розділити на компоненти, частіше подається не знизу колони, а в її середню частину по висоті, а продукти ректифікації відбираються в верхній та нижній частинах, як це показано на схемі унизу.

А

N₁

В

Задача N 81. Визначити за двома наведеними нижче діаграмами, на які речовини можна розділити розчини складу N_1,N_2,N₃ та N_4, а також указати, в якій частині ректифікаційної колони будуть відбиратись ці речовини. (відповідь – наведена на рисунку, див. нижче)

T N_A N_A

N₁ N₂

A В

A N₁ N_A N₂ B

T A B

N₃ N₄

N_A N_A

A N₃ N_A N₄ B

Подібна задача.Другий закон Коновалова. Точкам максимуму та мінімуму на кривих залежності тиск насиченої пари – склад системи відповідають суміші, що мають однаковий склад рідинита пари. У другому законі Коновалова йдеться про системи, які настільки відхиляються від ідеальних, що на діаграмах властивість – склад системи з’являються екстремуми.Причому потрібно розуміти, якщо в якійсь системі, наприклад, складу N₁ (див. рисунки нижче), ємінімум на кривій залежності тиск насиченої пари – склад, то на кривій залежності температура кипіння – склад буде максимум, який припадає на той же склад N₁. Якраз це ілюструють дві діаграми (тиск насиченої пари –склад та температура кипіння – склад), які наведені нижче для однієї і тієї ж системи компонентів А та В.