Απλά διαγράμματα τάσης ατμών-σύστασηςιδανικών διαλυματων

Transcript

1 Φυσικοχημεία II, Διαλύματα Απλά διαγράμματα τάσης ατμών-σύστασηςιδανικών διαλυματων o P = N P P = A A A N P o B B B PA + PB = P ολ Τ=const P = Ν ολ P + N P o o A A B B Ν Α + Ν =1 o o o P = P + A N ( ολ B P B P ) A Β Οι μεταξύ των μορίων ασκούμενες δυνάμεις είναι ίσες, ανεξαρτήτως αν τα μόρια είναι όμοια ή όχι

2 Ιδανικά συμπεριφερόμενο διάλυμα, υπακούει στο νόμο του Rault Ν Β 0.7 Ν ΜΒ 0.3 P oλ= 64 torr P B =56 torr F F F A B A A B B P Β + P ΜΒ = P ολ o o o P = P + N ( P P ) ολ Β ΜB ΜB Β P MB =8 torr Ν ΜΒ 0.3

3 Θετική απόκλιση από το Νόμο του Rault, Εμφάνιση μέγιστου F < F F A B A A B B

4 Ποσοτική σύσταση ατμών και διαλύματος δύο ιδανικώς συμπεριφερομένων υγρών Νόμος Rault Νόμος Dalton o o o P = P + A NB( P ' ολ B PA) PB = NBP ολ N N P o ' B B B = o o o PA + ( PB PA) NB Σε κάθε σύσταση του διαλύματος αντιστοιχεί μία μόνο σύσταση της αέριας φάσης που είναι, ωστόσο, διαφορετική από τη σύσταση της υγρής φάσης. PP P = ολ P + P P N o o A B o o o ' B ( A B) B Μπορεί να βρεθεί η σύσταση της αέριας φάσης γνωρίζοντας τη σύσταση της υγρής φάσης Η σύσταση του συστατικού Β στην αέρια φάση είναι διαφορετική αυτής στην υγρή φάση

5 Διπλά διαγράμματα τάσης ατμών-σύστασης ιδανικών διαλυμάτων Τ=σταθερή o P B o o o P = P + A NB( P ολ B PA) PP P = ολ P + P P N o o A B o o o ' B ( A B) B o P A

6 Κανόνας του μοχλού

7 Κανόνας του μοχλού n l = n α α β l β

8 Κανόνας του Konowaloff Κανόνας του Konowaloff: Οι ατμοί είναι σχετικά πλουσιότεροι του υγρού διαλύματος, ως προς εκείνο το συστατικό το οποίο, όταν προστίθεται στην υγρή φάση του συστήματος, επιφέρει αύξηση της ολικής τάσης των ατμών του όλου συστήματος Ταξινόμηση των υγρών διαλυμάτων δύο συστατικών σε Ι. Συστήματα περίπου ιδανικά χωρίς μέγιστο ή ελάχιστο στα διαγράμματα τάσης ατμώνσύστασης ΙΙ. Συστήματα με ελάχιστο στα διαγράμματα τάσης ατμών-σύστασης ΙΙΙ. Συστήματα με μέγιστο στα διαγράμματα τάσης ατμών-σύστασης

9 Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλύματος Διαγράμματα Τύπου Ι F F F A B A A B B Διαγράμματα Τύπου ΙΙ F > F F A B A A B B Διαγράμματα Τύπου ΙΙΙ F < F F A B A A B B ln P H 1 = + R T I Clausius-Claperon

10 Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλυματος τύπου Ι Κλασματική απόσταξη Διαφορετική σύσταση μεταξύ της υγρής και αέριας φάσης Η συλλογή του συμπυκνώματος οδηγεί σε υγρό με διαφορετική σύσταση από το αρχικό διάλυμα. Δυνατότητα τέλειου διαχωρισμού των συστατικών του διαλύματος.

11 Κλασματική απόσταξη- αρχή λειτουργίας Στην κλασματική στήλη από κάτω προς τα επάνω διέρχονται ατμοί, οι οποίοι συνεχώς εμπλουτίζονται ως προς το πτητικότερο συστατικό, ενώ από πάνω προς τα κάτω τρέχει υγρό εμπλουτισμένο ως προς το λιγότερο πτητικό συστατικό. - Βρασμός σε θερμοκρασία που ανεβαίνει συνεχώς. - Διαδοχική εξαέρωση του υγρού και συμπύκνωση των ατμών. Υψος του ισοδυνάμου προς μια θεωρητική πλάκα: Ύψος της στήλης προς τον αριθμό των θεωρητικών πλακών της Μία θεωρητική πλάκα προκαλεί το αυτό αποτέλεσμα με μια απλή απόσταξη.

12 Aπόσταξη

13

14 Κλασματική απόσταξη

15 Κλασματική απόσταξη

16 T o C

17

18 κλασματική στήλη

19

20 Κλασματική απόσταξη

21 Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλυματος τύπου ΙΙ Κλασματική απόσταξη Αζεοτροπικό μίγμα Αζεοτροπικό μίγμα: Διαλύματα σταθερής συστάσεως και σταθερού σημείου ζέσεως Για συγκέντρωση του Ν Β > του Ν Μ είναι δυνατός ο διαχωρισμός του Β μέσω κλασματικής απόσταξης, ενώ για Ν Β <Ν Μ είναι δυνατός ο διαχωρισμός του Α Xλωροφόρμιο/Ακετόνη Αζεοτροπικό μίγμα στους 64 o C Ν Β < Ν Μ Kλασματήρας: Αζεοτροπικό Απόσταγμα: A Ν Β >Ν Μ Kλασματήρας: Αζεοτροπικό Απόσταγμα:B

22 Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλύματος τύπου ΙΙΙ Κλασματική απόσταξη Αζεοτροπικό μίγμα Για συγκέντρωση του Ν Β > του Ν E είναι δυνατός ο διαχωρισμός του Β μέσω κλασματικής απόσταξης, ενώ για Ν Β <Ν E είναι δυνατός ο διαχωρισμός του Α. Ν Β < Ν E Kλασματήρας: A Απόσταγμα: Αζεοτροπικό Ν Β >Ν E Kλασματήρας: B Απόσταγμα: Αζεοτροπικό Xλωροφόρμιο/Aιθυλική αλκοόλη Αζεοτροπικό μίγμα στους ~ 68 o C

23 ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΥΓΡΟΥ ΑΤΜΟΥ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΙΘΥΛΕΝΟΓΛΥΚΟΛΗ-ΝΕΡΟ Αέριο 420 Θερμοκρασία Ζέσεως Τ(Κ) Υγρό Υγρό Ατμός Μοριακό κλάσμα ΝΒ

24 Ιδανικό διάλυμα Δυαδικό σύστημα ακετόνης-χλωροφόρμιου Ατμός θερμοκρασία/ o C Υγρό Αζεοτροπ ικό μίγμα Υγρό Ατμός Γραμμομοριακό κλάσμα του B,N B

25 79 Ισορροπία Υγρού Ατμού για το σύστημα Οξικός αιθυλεστέρας-αιθανόλη Σ.Ζ( 0 C) Series1 atmos N B

26 Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλυματος τύπου ΙΙ Κλασματική απόσταξη

27 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Συζυγή διαλύματα Τα περισσότερα υγρά αναμειγνύονται συνήθως σε όλες τις αναλογίες. Υπάρχουν, ωστόσο, και συστήματα που αποτελούνται από δύο υγρά συστατικά που αναμειγνύονται μερικά. Σε ορισμένη θερμοκρασία και για ορισμένη περιοχή σύστασης τα συστατικά των συστημάτων αυτών μπορεί να αναμιγνύονται τέλεια, ενώ για άλλη περιοχή σύστασης μπορεί να εμφανίζονται δύο φάσεις, που κάθε μία είναι κορεσμένο διάλυμα του ενός υγρού στο άλλο και αντίθετα. Οι περιοχές, για τις οποίες έχουμε τέλεια ανάμειξη (μία μόνο φάση) των δύο υγρών, μεταβάλλουν όρια με τη θερμοκρασία, με την οποία συνήθως αυξάνεται η αμοιβαία διαλυτότητα του ενός στο άλλο υγρό. Μάλιστα, πάνω από μία ορισμένη θερμοκρασία τα δύο υγρά αναμειγνύονται σε όλες τις αναλογίες. Η θερμοκρασία αυτή λέγεται κρίσιμη θερμοκρασία διάλυσης ή κρίσιμο σημείο μείξης t k και είναι χαρακτηριστική για κάθε σύστημα. Σε μερικά συστήματα η αμοιβαία διαλυτότητα των συστατικών τους αυξάνεται με την ελάττωση της θερμοκρασίας, οπότε κάτω από μία ορισμένη τιμή της πάλι τα δύο υγρά αναμειγνύονται τέλεια. Τέλος υπάρχουν και συστήματα που παρουσιάζουν ταυτόχρονα μέγιστη και ελάχιστη κρίσιμη θερμοκρασία μείξης. Από όλα αυτά τα συστήματα τα πιο συνηθισμένα είναι αυτά με τη μέγιστη θερμοκρασία μείξης.

28 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Συζυγή διαλύματα Προκύπτει σύστημα επαφής δύο υγρών φάσεων που η κάθε μία αποτελεί διάλυμα. Πρόκειται για μοριακά συστήματα διασποράς σε επαφή, τα οποία χωρίζονται μεταξύ τους με χαρακτηριστική διεπιφάνεια.

29 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών-συζυγή διαλύματα Επίδραση της θερμοκρασίας στη διαλυτότητα υπό σταθερή πίεση κρίσιμη θερμοκρασία διάλυσης ή κρίσιμο σημείο μείξης Μία φάση Δύο φάσεις Ν Β Στη θερμοκρασία t τέλεια μίξη μόνο στις περιοχές 0-x και z-1. 0-x: Μία υγρή φάση ακόρεστου διαλύματος του Β στο Α. z-1: Μία υγρή φάση ακόρεστου διαλύματος του Α στο Β. Στην περιοχή x-z ισορροπία δύο φάσεων. Σημείο Α: Κορεσμός του Α με Β και εμφάνιση του πρώτου ίχνους της δεύτερης φάσης, η οποία αποτελείται από Β κορεσμένο με Α. Σημείο Β: Κορεσμός του Β με Α και ίχνη της δεύτερης φάσης, η οποία αποτελείται από Α κορεσμένο με Β. Σημείο C: Συνύπαρξη δύο φάσεων σύστασης χ και z ως προς Β. Οι σχετικές ποσότητες προσδιορίζονται από τον κανόνα του μοχλού κανόνας του μοχλού w w A B = BC AC

30 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Επίδραση της θερμοκρασίας στη διαλυτότητα Eξάνιο/Νιτροβενζόλιο κρίσιμη θερμοκρασία διάλυσης ή κρίσιμο σημείο μείξης Απορρόφηση θερμότητας, ΔΗ>0

31 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Επίδραση της θερμοκρασίας στη διαλυτότητα Eξάνιο/Νιτροβενζόλιο Παρασκευάσθηκε μείγμα εξανίου (Ε)/νιτροβενζολίου (Ν σε αναλογία γραμμομοριακών κλασμάτων κρίσιμο σημείο μείξης Ν Ε =0.59/Ν Ν =0.41 mol στους 290 K ) Ποιες οι συστάσεις των 2 φάσεων στους 290 Κ? 2)Σε τι αναλογίες εμφανίζονται 3) Σε ποια θερμοκρασία εμφανίζεται 1 φάση Λύση 1) Σύσταση φάσεων (α) Ν Ν =0.35, Ν Ε =0.65 και (β) Ν Ν =0.83, Ν Ε =0.17 2) w w E N lb = = = 7 l a 3) 292 Κ μία φάση Να βρεθεί η σύσταση όταν Ν Ν =0.75 και Ν Ε =0.25

32 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Διπλά διαγράμματα σημείου ζέσεως-σύστασης διαλύματος

33 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Επίδραση της θερμοκρασίας στη διαλυτότητα Νερό/Τριαιθυλαμίνη Έκλυση θερμότητας, ΔΗ<0 Η δημιουργία ασθενών συμπλόκων σε χαμηλές θερμοκρασίες οδηγεί σε αύξηση της διαλυτότητας. Αυξανομένης της Τ διάσπαση του συμπλόκου και διαχωρισμός των μορίων κρίσιμο σημείο μείξης

34 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Επίδραση της θερμοκρασίας στη διαλυτότητα Νερό/Νικοτίνη κρίσιμο σημείο μείξης

35 Διαλύματα μερικώς αναμειγνυόμενων υγρών Συζυγή διαλύματα Επίδραση τρίτης ουσίας στην κρίσιμη θερμοκρασία δυαδικού συστήματος Η προσθήκη τρίτης ουσίας σε ένα δυαδικό σύστημα μερικώς αναμιγνυόμενων υγρών μεταβάλει αισθητά την κρίσιμη θερμοκρασίας μίξης. Σε περίπτωση που η τρίτη ουσία είναι διαλυτή στο ένα από τα δύο συστατικά, η αμοιβαία διαλυτότητα μειώνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της κρίσιμης θερμοκρασίας μίξης (t k ). Π.χ. Σύστημα φαινόλης-νερού t k =66 o C. Προσθήκη KCl, διαλυτό μόνο στο Η 2 Ο επιφέρει αύξηση της t k στους 74 o C.

36 Συστήματα μη αναμειγνυόμενων υγρών Καμία αλλοίωση των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών τους λόγω ασήμαντης αναμιξιμότητας. Η τάση των ατμών κάθε συστατικού στο σύστημα είναι ίδια με την τάση των ατμών του καθαρού συστατικού στη συγκεκριμένη θερμοκρασία. Η ολική τάση των ατμών δεν εξαρτάται από τις ποσότητες των δύο υγρών και είναι ίση με o A P P P ολ = + Ο βρασμός ξεκινά όταν η ολική τάση των ατμών γίνει ίση με την εξωτερική πίεση. Αυτό σημαίνει ότι σε σύστημα μη αναμειγνυομένων υγρών ο βρασμός ξεκινά σε θερμοκρασίες μικρότερες από τα σημεία βρασμού των δύο συστατικών. Το σημείο ζέσεως του συστήματος είναι ανεξάρτητο από τη σχετική ποσότητα των επι μέρους συστατικών. Νερό-Νιτροβενζόλιο o B

37 Συστήματα μη αναμειγνυόμενων υγρών o A P P P ολ = + o B Α Β Α, Β

38 Συστήματα μη αναμειγνυόμενων υγρών Νερό-Βρωμοβενζόλιο Νερό: σ.ζ. 100 ο C (1 atm) Βρωμοβενζόλιο: σ.ζ. 132 o C (1 atm) Mίγμα νερού-νιτροβενζολίου: σ.ζ. 95 o C (1 atm). Τύπος της αποστάξεως δύο μη αναμειγνυομένων υγρών w w P M A A A = Τύπος απόσταξης συστήματος 2 μη αναμειγνυομένων υγρών P M B B B

39 Συστήματα μη αναμειγνυόμενων υγρών Η απομάκρυνση και υγροποίηση των ατμών που βρίσκονται σε ισορροπία με το σύστημα των δύο μη αναμειγνυόμενων υγρών, θα δώσει ως απόσταγμα δύο χωριστές στοιβάδες σε αναλογία που εξαρτάται από τη τάση των ατμών στη θερμοκρασία απόσταξης και τα μοριακά βάρη w w P M A A A = P M B B B Τύπος απόσταξης συστήματος 2 μη αναμειγνυομένων υγρών

40 Oι τάσεις των ατμών του χλωροφορμίουκαι του βενζολίου σε διάφορες θερμοκρασίες δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Θερμοκρσία t o C P C6H6 (atm) P CHCl3 (atm) Σε ποια θερμοκρασία, υπό ατμοσφαιρική πίεση, θα αρχίζει να αποστάζει μίγμα των δύο αυτών υγρών, για τα οποία ισχύει ότι δεν είναι αναμίξιμα; o o P = P + P ολ Βενζολίου Χλωροφορµ ίου Βρίσκουμε την ολική πίεση για κάθε θερμοκρασία και κατασκευάζουμε το παρακάτω διάγραμμα mmhg=1 atm 1 atm Πίεση, P oλ (mmhg) t=48.5 o C t, Θερμοκρασία o C Το διάλυμα θα αρχίζει να βράζει, όταν η θερμοκρασία θα ανέβει τόσο, ώστε η τάση των ατμών του συστήματος να γίνει ίση με την εξωτερική πίεση, δηλαδή 1 atm. Aυτό επιτυγχάνεται, όταν η θερμοκρασία γίνει ίση με 48.5 o C.

41 Πραγματικό διάλυμα Το σημείο ζέσης του διαλύματος (υγρή φάση) συνεχώς ανέρχεται και τείνει στο σημείο ζέσης του λιγότερου πτητικού συστατικού Α. Η σύσταση του διαλύματος συνέχεια εμπλουτίζεται σε λιγότερο πτητικό συστατικό, το οποίο τελικά απομένει στον αποστακτήρα σε καθαρή κατάσταση. Το σημείο ζέσης της αέριας φάσης (δηλαδή του συμπυκνώματος των ατμών) συνέχεια ελαττώνεται και τείνει στο σημείο ζέσης του πιο πτητικού συστατικού Β, επειδή συνέχεια αυξάνεται το μοριακό του κλάσμα στους ατμούς. Η σύσταση, τέλος, της αέριας φάσης συνεχώς εμπλουτίζεται σε πτητικό συστατικό, που τελικά αποστάζει σε καθαρή κατάσταση. Έτσι, στα συστήματα αυτά μπορεί να γίνει τέλειος διαχωρισμός των δύο υγρών συστατικών σε καθαρή κατάσταση.

42 Moνάδες Πίεσης 1 bar= atm = 10 5 Pascal (Pa)= 750 Torr= 750 mmhg = 10 5 Nm -2 = 10 6 dyncm -2

43 Moνάδες Πίεσης

44 Moνάδες Πίεσης

45 Moνάδες Πίεσης