PoB
ToA
PoA
А N1 В А N1 В
Такі точки називаються азеотропами, а розчини такого складу (як, наприклад, N1) називають азеотропними розчинами. Характерним для цих розчинів є те, що склад рівноважної пари над ними не відрізняється від складу рідини, а це означає, що такий розчин неможливо розділити на компоненти шляхом ректифікації. Візьмемо якусь діаграму рідина – пара з азеотропом і покажемо схематично, на які складові частини можна розділити розчини певного складу.
T A B
ToB N1 N2
ToA
NA NA
A N1 NA N2 B
Так, якщо розчин складу N1 розділяти за допомогою ректифікації, то він розділиться на дві складові частини: чистий компонент А, який буде відбиратися у верхній частині колони та азеотроп складу NА. При цьому азеотроп буде накопичуватися в нижній частині колони, тому що має температуру кипіння більшу, ніж компонент А. Така ж картина буде спостерігатися під час ректифікації розчину складу N2, тільки одержимо чистий компонент В.
T,oC
100
98
96
94
92
90
88
86
84
82
80
78
76
74
H2O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 C2H5OH
мас.%
Для того, щоб було більш зрозуміло, візьмемо реальну систему з азеотропом вода – етиловий спирт, яка наведена вишче.Як видно з діаграми, азеотропна суміш припадає приблизно на склад: 96 мас.% спирту. На спиртових заводах за допомогою ректифікації виділяють спирт наближено
такого складу з розчинів, що містять приблизно 20 мас.% спирту. Якщо вести просту перегонку такої суміші, то, як це видно з діаграми, спочатку буде відганятись розчин що містить наближено 65 мас.% спирту при температурі 87 оС.Зі зменшенням вмісту спирту в суміші температура його кипіння буде поступово зростати, а концентрація спирту в конденсаті зменшуватись.
Одержання цільового продукту простою перегонкою з подібних систем невигідно насамперед тому, що таким чином не удається дістати чистий продукт та максимально здобути його з вихідного розчину.
Задача N 82. При температурі більшій чи меншій 100 оС буде кипіти суміш (емульсія) води з маслом? (відповідь–меншій, ніж 100 оС)
Подібна задача.Яка температура кипіння рідин, що не змішуються? Якщо узяти два якісь
РВ
Ратм
DР
DР
Тем. ТА ТВ Т
компоненти А та В, що не розчинні або мало розчинні один в другому, то вони при змішуванні
утворюють емульсії. Температура кипіння емульсії буде меншою, ніж температура кипіння кожного з обох компонентів. Це можна пояснити за допомогою діаграми, на якій зображені залежності тиску насиченої пари обох компонентів від температури (РАта РВ). Лінією Ратмзображена ізобара атмосферного тиску. Як видно з діаграми, температура кипіння компонентів А та В дорівнює, відповідно, ТА та ТВ. Тиск насиченої пари над емульсією (Рем.) - це сумарний тиск насиченої пари компонентів А та В, а тому температура кипіння емульсії Тем. < ТА <ТВ.Ця обставина в деяких випадках може мати дуже велике значення. Так наприклад, попадання води на розігріте масло призводить до миттєвого закипання сумішей масла з водою, їх спільного випаровування, перемішування з повітрям та спалаху. Якраз це явище є частою причиною пожеж та вибухів на виробництві і в побуті. А тушіння горючих рідин водою часто призводить ще до більшого розповсюдження полум’я. (відповідь – менша, ніж кожного з обох компонентів емульсії).
Задача N83. Що являє собою суміш двох рідин, які обмежено змішуються? (відповідь – залежно від температури це або розчин, або дві фази, кожна з яких є розчином одного компонента в другому).
Подібна задача.Як залежить фазовий склад рідин, які змішуються обмежено, від температури? Суміші рідин умовно можна розділити на три групи. Перша - це рідини, які розчиняються одна в другій необмежено, наприклад, такі системі як вода – етиловий спирт або вода - ацетон. Друга - це рідини, які не розчинні одна в другій, наприклад, вода - масло. Третя - це рідини, які обмежено розчиняються одна в другій, а їх взаємна розчинність залежить від температури. Деякі властивості останніх зручно пояснити за допомогою діаграми, яка наведена нижче.
Якщо узяти суміш складу N2 з двох рідин А та В, які розчиняються обмежено, то при температурі Т1 в стані рівноваги (точка K) буде дві фази. Тобто ця суміш буде гетерогенною
Tb
M Т4
T3
T2
L
T1
а К c
A N1 N2 N3 N4 B
системою - емульсією, складовими частинами якої будуть дві рідини, між якими видно межу поділу. Одна з цих рідин являє собою розчин В в А складу N1, а друга - розчин А в В складу N4(розчинником називають частіше ту речовину, концентрація якої більше). З нагріванням суміші цих двох розчинів до температури Т2 (точка L) в стані рівноваги також буде гетерогенна система з двох розчинів складу N2 та N3. Потрібно тільки зауважити, що розчину складу N3 залишається дуже мало і з нагріванням вище від температури Т2 він зникне, система стане гомогенною і являтиме собою розчин складу N2. Так, при температурі Т3 (точка М) це буде розчин складу N2, який з його охолодженням до температури Т2 знову перетвориться в гетерогенну систему, тому що при цій температурі з’явиться ще одна фаза - розчин складу N3. Температуру Т4 називають критичною. Це така температура, вище від якої компоненти А та В розчиняються один в другому необмежено. Криву abcназивають кривою розшарування, всі точки, що лежать під нею і відповідають певному складу та температурі системи, відносяться до гетерогенних систем, а вище кривої - до гомогенних. До того ж, для повного розуміння діаграм потрібно знати, яку залежність ілюструють лінії на діаграмі. Можна сказати, наприклад, що відрізок ab кривої abc на цій діаграмі ілюструє залежність розчинності компонента В в А від температури, а bc - залежність розчинності компонента А в B від температури. (відповідь – температура впливає на фазовий склад та взаємну розчинність рідин, що обмежено змішуються)
Задача N 84. У 100 т рідкого заліза розчинено 0,05 т (0,05 мас.%) фосфору. Який кінцевий вміст фосфору в залізі (мас.%) під час одно - або чотириразового його екстрагування (вилучення) 20-ма т шлаку? Коефіцієнт розподілу К=50. (відповідь – при одноразовому – 0,0045 мас.%; при чотириразовому - 0,00033 мас.%).
Подібна задача.Який закон є теоретичною основою процесу екстракції? Екстракція - це процес вилучення з розчину розчиненої речовини шляхом додання другого розчинника, який не змішується з першим. Це дуже поширений технологічний прийом, за допомогою якого удається спростити одержання чистих речовин, вилучити з розчинів шкідливі речовини і т.ін. Наведемо приклад, який має більш історичне, ніж практичне значення, але дає можливість пояснити, що таке екстракція. Колись йод добували таким чином. Варили у великих чанах морські водорості, внаслідок чого йод з водоростів частково переходив у воду поряд з іншими численними розчиненими речовинами. Після охолодження до такого розчину додавали в невеликій кількості рідину, яка не розчиняється у воді, але йод в ній розчиняється в десятки разів краще, ніж у воді, наприклад, бензол. Після перемішування (щоб наступив наступив стан рівноваги) йод переходив у бензол, який відділяли від води та випаровували, а осад після випаровування являв собою достатньо чистий йод. Таку технологічну операцію називають екстрагуванням йоду з води за допомогою бензолу. Екстракцію описує закон Нернста – Шилова, який формулюється так.Відношення концентрацій (активностей) (про активність див. задачу N73) третьої речовини в двох рідинах, що не змішуються, є величина стала при незмінній температурі і не залежить від кількості всіх трьох речовин. У математичній формі цей закон можна записати так: a1/a2 = constабо N1/N2 = const,. де aта N – активність та концентрація третьої речовини в двох нерозчинних рідинах. Опускаючи деякі викладки, можна записати рівняння для кількісних розрахунків екстракції, наприклад, для розв’язання задачі щодо екстракції фосфору шлаком g = go(m1/(km2 + m1))n, де g - маса фосфору, яка залишається в залізі після n-ї екстракції, go - вихідна маса фосфору в залізі, m1- маса заліза, k- коефіцієнт розподілу, m2 - маса шлаку, яка береться для окремої екстракції , n - кількість екстракцій. (відповідь – теоретичною основою екстракції є закон Нернста – Шилова)
Задача N 85. За діаграмою плавкості системи Al – Si, що наведена нижче, визначити,який склад рідкої та кристалічної фаз, а також яка буде маса кристалів, якщо 1 кг розплаву складу 30 мас.% Al охолодити від температури 1400 до 700 оС. (відповідь – склад рідкої фази наближено 22 мас.% Si, склад кристалічної фази – 100 мас.% Si; маса кристалів – 615 г)
.
1
2
3
4 .
.
.
Подібна задача.Які дані потрібні для побудови діаграм плавкості? У кожному з рекомендованих підручників ця тема добре висвітлена, нагадаємо тільки основні її тези. Для побудови діаграми плавкості потрібні криві охолодження. Що таке криві охолодження і як за їх допомогою будують діаграми плавкості, розглянемо на прикладі діаграми плавкості системи, що складається з компонентів А та В.