Termodynamika równowag fazowych w układach dwuskładnikowych

Transkrypt

1 Termodynamika równowag fazowych w układach dwuskładnikowych Równowaga ciecz-para: skład pary nad roztworem, prawo Roulta, Henry ego, destylacja baryczna oraz termiczna Równowaga ciecz-ciecz Równowaga ciecz-ciało stałe

2 Układy dwuskładnikowe Liczba stopni swobody układu dwuskładnikowego wynosi s 4 maksymalna liczba współistniejących faz 4 max Mieszaniny dwuskładnikowe: Roztwory gazowe: gaz+gaz Roztwory ciekłe: gaz+ciecz, ciecz+ciecz, ciało stałe+ciecz Stopy: ciało stałe+ciało stałe, ciecz+ciało stałe, gaz+ciało stałe Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 2

3 Równowagi ciecz-para Obie fazy są mieszaninami dwuskładowymi x A, x B ułamki molowe składników w fazie ciekłej. y A, y B ułamki molowe składników w fazie lotnej. p A, p B ciśnienia parcjalne par. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 3

4 p /torr Octan etylu w roztworze bezwodnika kwasu octowego prężność pary nad roztworem p całkowite Skład cieczy X octan etylu

5 p /torr Octan etylu w roztworze bezwodnika kwasu octowego prężność pary nad roztworem p całkowite P octan etylu prężność parcjalna p bezw.kw.octowego X octan etylu

6 p /torr n-pentan w roztworze octanu metylu prężność pary nad roztworem Skład cieczy x pentan

7 p /torr prężność pary nad roztworem n-pentan w roztworze octanu metylu p całkowite 400 p pentan Skład cieczy prężność parcjalna p octan metylu Skład cieczy x pentan

8 Prężność pary nad roztworem Równowaga: CIECZ - PARA Dla doskonałych faz gazowych i ciekłych: c 1 1 c 2 2 g g 1 T, p RT ln x1 1 T, p RT 1 ln 1 T, p RT ln x2 2 T RT 2 ln p p p p ln p p 1 ln x 1 ln K 1 T T, p T, p 1 1 ln RT K 1 T ln p p 1 ln x 1 ln K 1 T p p 1 x 1 K 1 T Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 8

9 Prężność pary nad roztworem Prawo Raoulta Równowaga: CIECZ - PARA p p 1 2 p p T x 1 T x p 0 T 1 x Powyższe wyrażenia przedstawiają prawo Raoulta, opisujące równowagę parowania roztworu doskonałego. Prawo to wyraża przewidywany przez regułę faz związek między zmiennymi T, x 1 (zmienne niezależne) a p 1 i p 2 (zmienne zależne) Z prawa Raoulta wynika, że w stałej temperaturze ciśnienia cząstkowe składników nad roztworem są liniowymi funkcjami ułamków molowych składników w roztworze. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 9

10 Prawo Raoulta Prężności cząstkowe składników i całkowite ciśnienie pary nasyconej nad roztworem doskonałym n-heptancykloheksan jako funkcja ułamka molowego cykloheksanu w roztworze, w stałej temperaturze Prawo Raoulta jest słuszne: dla nieelektrolitów. W wyniku rozpuszczenia nie może zachodzić żadna forma zmian liczby cząsteczek, np. dysocjacja, czyli zwiększanie lub asocjacja, czyli zmniejszany liczby cząsteczek substancji rozpuszczonej, gdy rozpuszczaniu ulega substancja nielotna, dla roztworów rozcieńczonych, gdy oddziaływania międzycząsteczkowe w roztworze są małe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 10

11 Ciepło mieszania idealnych składników G miesz n n A A A RT ln n B x A B ( n n B A * A RT ln x B n B * B ) S miesz G T miesz p n A R ln x A n B R ln x B H miesz G miesz TS miesz 0 Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 11

12 Molekularne podstawy roztworów idealnych W czystym ciekłym składniku A, możliwe są jedynie oddziaływania typu: A-A W czystym ciekłym składniku B, możliwe są jedynie oddziaływania typu: B-B W roztworze możliwe są dodatkowo oddziaływania A-B H miesz = 0 oznacza, że wszystkie oddziaływania są jednakowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 12

13 Prawo Henry ego Dla rozcieńczonych niedoskonałych faz gazowych i ciekłych: W przypadku roztworów rozcieńczonych można wyprowadzić wzory: Równowaga: CIECZ - PARA Substancja rozpuszczona Rozpuszczalnik Rozcieńczony roztwór 1 w 2 Rozcieńczony roztwór 2 w 1 p K T 2 x p p x1 p K T x 2 p 0 2 p x p K i i T x i Zapis ten przedstawia prawo Henry'ego. W układzie złożonym z roztworu idealnego rozcieńczonego i pary nad tym roztworem, zachowującej się jak gaz doskonały, prawo Raoulta stosuje się do rozpuszczalnika, prawo Henry'ego zaś do substancji rozpuszczonej. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 13

14 Prawo Henry ego Prężności cząstkowe i całkowite ciśnienie pary nasyconej nad roztworem etanolaceton w stałej temperaturze (linie ciągłe); - - prężności cząstkowe według prawa Raoulta, prężności cząstkowe według prawa Henry go

15 p /torr 2000 K Prawo Henriego prawo Raoulta p * x pentan Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 15

16 Zachowanie się układów rzeczywistych Przeanalizuj typy oddziaływań w poniższych układach Benzen Toluen Układ idealny spełnia prawo Raoulta, atermiczny proces mieszania Aceton Disiarczek węgla Układ wykazuje dodatnie odchylenia od prawa Raoulta endotermiczny proces mieszania Chloroform Aceton Układ wykazuje ujemne odchylenia od prawa Raoulta egzotermiczny proces mieszania Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 16

17 Równowaga: CIECZ - PARA Krzywa rosy pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od jej składu Krzywa wrzenia pokazuje zależność prężności pary nasyconej P od składu cieczy, z jest w równowadze Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 17

18 Przykłady krzywych rosy i wrzenia w układach rzeczywistych Równowaga: CIECZ - PARA Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 18

19 Destylacja izotermiczna i izobaryczna. Równowaga: CIECZ - PARA Ułamek molowy cykloheksanu w parze (y) jako funkcja ułamka molowego w cieczy (x), dla układu doskonałego: n-heptan-cykloheksan Ciśnienie pary nasyconej nad roztworem doskonałym w-heptan-cykloheksan jako funkcja ułamka molowego cykloheksanu w cieczy (linia ciągła) i w parze (linia przerywana) Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 19

20 Destylacja izotermiczna i izobaryczna. Równowaga: CIECZ - PARA Temperatura równowagi cieczy i pary w układzie n-heptan-cykloheksan jako funkcja ułamka molowego cykloheksanu w cieczy (linia ciągła) i w parze (linia przerywana)

21 Rektyfikacja destylacja wielokrotna Równowaga: CIECZ - PARA Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 21

22 Azeotropia Przypadek dodatniej azeotropii. Izotermy rosy (linia przerywana) i wrzenia (linia ciągła) w układzie benzen-metanol; Równowaga: CIECZ - PARA Przypadek dodatniej azeotropii. Izobary rosy (linia przerywana) i wrzenia (linia ciągła) w układzie benzen-metanol A z punkt azeotropowy Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 22

23 Azeotropia Równowaga: CIECZ - PARA Przypadek ujemnej azeotropii. Izotermy rosy (linia przerywana) i wrzenia (linia ciągła) w układzie woda-kwas azotowy Przypadek ujemnej azeotropii. Izobary rosy (linia przerywana) i wrzenia (linia ciągła) w układzie woda-kwas azotowy

24 Azeotropia azeotropia dodatnia: roztwór wykazuje maksymalną prężność pary w danej temperaturze. dodatnie azeotropy wykazują niższą temperaturę wrzenia niż jakikolwiek inny roztwór danych składników pod tym samym ciśnieniem, a więc izobara wrzenia wykazuje dla składu azeotropowego minimum. związana jest z dodatnimi odchyleniami od prawa Raoulta. występuje częściej np. w układach: woda-etanol, benzen-metanol, benzen-etanol, benzen-czterochlorek węgla, czterochlorek węgla-metanol. azeotropia ujemna: roztwór wykazuje minimalną prężność pary, niższą od prężności pary czystego, mniej lotnego składnika w tej samej temperaturze. Azeotrop ujemny wykazuje maksimum temperatury wrzenia. Azeotropia ujemna związana jest z ujemnymi odchyleniami od prawa Raoulta Ujemne azeotropy tworzą: aceton-chloroform, woda-kwas azotowy, woda-chlorowodór. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 24

25 Problem: Czy możliwe jest rozdzielnie składników równomolowej mieszaniny n-heptan benzen za pomocą destylacji termicznej? W celu odpowiedzi na pytanie należy wyznaczyć krzywe składu pary w równowadze z cieczą w układzie dwuskładnikowym. Zestaw destylacyjny dla wyznaczania składu pary i cieczy dwóch cieczy o zupełnej mieszalności. 1 - gumka aspiracyjna, 2 - pipeta, 3 - termometr, 4 - rurka wewnętrzna, 5 - chłodnica, 6 - syfon, 7 - kolba, 8 grzejnik elektryczny Skład fazy ciekłej (kolba) oraz fazy gazowej (destylat) można wyznaczyć przez pomiar współczynnika załamania światła na refraktometrze Abbego. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 25

26 Temperatury wrzenia i składy cieczpara w układzie n-heptan-benzen Zależność współczynnika załamania światła od składu dla układu n-heptan-benzen Diagram fazowy ciecz-para w układzie n-heptan-benzen Wniosek: Wyniki pomiarów temperatury wrzenia fazy ciekłej n-heptan-benzen oraz składy cieczy i pozostającej z nią w równowadze fazy gazowej (destylat) sugerują, że mieszaninę można rozdzielić za pomocą destylacji frakcyjnej. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 26

27 Rozpuszczalność wzajemna dwóch cieczy mieszające się niemieszające się G m H m TS m Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 27

28 Rozpuszczalność wzajemna dwóch cieczy Równowaga: CIECZ - CIECZ G m H m TS m dwie ciecze doskonałe zawsze mieszają się nieograniczenie, gdyż: H m m 0 i S 0 G m 0 gdy wzajemnemu rozpuszczaniu towarzyszy efekt cieplny to: H m m 0 i S 0 znak entalpii swobodnej mieszania może być dodatni. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 28

29 Rozpuszczalność wzajemna dwóch cieczy Równowaga: CIECZ - CIECZ Możliwe przypadki rozpuszczalności dwóch cieczy. furfural i woda n-propyloamina i woda 2,6-dimetylopirydyna i woda GKRT punkt homogenizacji w górnej krytycznej temperaturze rozpuszczalności DKRT punkt homogenizacji w dolnej krytycznej temperaturze rozpuszczalności Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 29

30 Rozpuszczalność wzajemna dwóch cieczy Równowaga: CIECZ - CIECZ Obliczanie składu warstw ciekłych Masa układu dwufazowego m m 1 m 2 m masa układu dwufazowego m 1, m 2 - masy rozdzielających się faz x 1, x 2 ułamek masowy składnika A w fazach 1 oraz 2 Masa składnika A: xm x m m2 Stąd: Względne ilości dwóch warstw ciekłych: x m m 1 2 x2 x x x 1 Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 30

31 Rozpuszczalność wzajemna dwóch cieczy Równowaga: CIECZ - CIECZ W temperaturze 290K sporządzono mieszaninę zawierającą 50g heksanu oraz 50 g nitrobenzenu. a. Jaki będzie skąd każdej z faz wyrażony w stosunkach wagowych? b. Do jakiej temperatury należy ogrzać próbkę, aby układ stał się jednofazowy? 50g heksanu = 0.59 mola 50 g nitrobenzenu = 0.41 mola n n l l W układzie jest siedem razy więcej fazy bogatej w nitrobenzen aniżeli fazy bogatej w heksan Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 31

32 Destylacja cieczy wykazujących ograniczoną mieszalność Niewielka część składnika A rozpuszcza się w składniku B oraz niewielka część składnika B rozpuszcza się w składniku A. Przykładowo oktan woda. Całkowita prężność pary jest sumą prężności składników: p=p A +p B. Ciecz wrze, gdy ta wartość osiągnie ciśnienie zewnętrzne. Dlatego destylacja odbywa się w temperaturze niższej niż izolowanych cieczy (prężności sumują się). Wrzenie wywołuje gwałtowne mieszanie uwalniając pary z obu faz. Wykorzystuje się do destylacji z parą wodną substancji wrażliwych na temperaturę. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 32

33 Destylacja cieczy wykazujących ograniczoną mieszalność Przypadek odpowiadający sytuacji, gdy górna krytyczna temperatura mieszalności jest niższa od temperatury wrzenia składników. T faza lotna ciecz+para ciecz+para jedna faza ciekła dwie fazy ciekłe x A z A Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 33

34 Destylacja cieczy wykazujących ograniczoną mieszalność Przypadek odpowiadający sytuacji, gdy górna krytyczna temperatura mieszalności jest wyższa od temperatury wrzenia składników, tzn. ciecz wrze zanim składniki osiągną całkowita mieszalność. Destylat fazy o składzie a 1 będzie układem dwuwarstwowym o składzie określonym przez punkt b 3, a poszczególne fazy mają skład wyznaczony przez punkty b 3 oraz b 3. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 34

35 Układy dwuskładnikowe Równowaga: CIAŁO STAŁE - CIECZ Roztwory nieidealne Powyżej linii liquidus układ jednofazowy ciekły Na linii liquidus - układ dwufazowy: ciecz+ciało stałe W punkcie eutektycznym - Układ trójfazowy: ciecz + dwie fazy stałe Roztwory idealne Metodą analizy termicznej wyznaczyć krzywe topnienia w układzie dwóch ciał stałych z nielub ograniczoną rozpuszczalnością. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 35

36 ciecz ciecz ciecz a 1 a 2 : układ staje się dwufazowy, zaczyna się wytrącać czysta substancja B, faza ciekła wzbogacana jest w składnik A a 2 a 3 : zwiększanie ilościowe faz (skład fazy ciekłej określony jest przez punkt b 3 ) a 3 a 4 : osiągnięcie izoplety skład fazy ciekłej i stałe stają się identyczne kryształ Izopleta krzywa odpowiadająca składowi mieszaniny eutektycznej Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 36

37 Układ eutektyczny prosty doskonały Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) 600 T* B T* A 550 T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Czysty składnik A Czas/s Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 37

38 Układ eutektyczny prosty doskonały Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) 600 T* B T* A 550 T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Czysty składnik B Czas/s Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 38

39 Układ eutektyczny prosty doskonały Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) T* A T* B T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Roztwór x B = 0, Czas/s Roztwór o składzie eutektycznym A (s) + B (s) Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 39

40 Układ eutektyczny prosty doskonały... Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) T* A T* B T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Czas/s Roztwór x B = 0,750 Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 40

41 Układ eutektyczny prosty doskonały... Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) T* A T* B T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Roztwór x B = 0, Czas/s Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 41

42 Układ eutektyczny prosty doskonały... Analiza termiczna (krzywe chłodzenia) T* B T* A 550 T/K 500 T/K T E ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 A B x B Roztwór eutektyczny x B = 0, Czas/s Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 42

43 Równowaga: CIAŁO STAŁE - CIECZ Przykład: Układ dwuskładnikowy naftalen-benzen krzywe ostygania Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 43

44 Układy dwuskładnikowe krzywe ostygania Przypadek nieograniczonej mieszalności faz stałych diagram fazowy krzywe ostygania Na krzywych ostygania czystych składników obserwuje się brak zmian temperatury układu w ich temperaturach topnienia. Liczba stopni swobody w temperaturze topnienia czystego składnika jest równa zeru, gdyż s = = 0. Przy składach 2 i 3 mamy w obszarze temperatur 2'2" i 3'3" jeden stopień swobody - na krzywych ostygania pojawiają się załamania związane z początkiem (punkty 2' i 3') oraz końcem procesu krystalizacji (punkty 2" i 3"). W tych przedziałach temperatur skład fazy ciekłej zmienia się wzdłuż krzywej liquidusu, zaś fazy stałej wzdłuż solidus.

45 Krzywe ostygania 1 i 3, odpowiadające czystemu układowi A i mieszaninie eutektycznej E, posiadającym zero stopni swobody w punktach topnienia (odcinki 1'1" i 3'3"). Pierwsze załamanie krzywej 2 następuje w punkcie 2', w którym pojawiają się pierwsze kryształy fazy 2, o składzie podanym na krzywej solidus w tej temperaturze. W procesie krystalizacji ciekły roztwór wzbogaca się stopniowo w składnik B i po osiągnięciu składu eutektycznego E (punkt 2''') - pozostała część cieczy zastyga już w stałej temperaturze, jako mieszanina eutektyczna. Dla krzywej 4 pierwsze załamanie krzywej ostygania pojawia się w punkcie 4, w którym rozpoczyna się krystalizacja roztworu stałego. Ostatnie krople cieczy znikają w punkcie 4", nie osiągając składu mieszaniny eutektycznej. W przedziale temperatur 4'4", stygnie stop o takim samym składzie jak ciecz wyjściowa. W punkcie 4" na skutek znacznego obniżenia temperatury zmniejsza się rozpuszczalność A w B i ze stopu zaczynają się wydzielać kryształy fazy a. Jest to przyczyną pojawienia się ostatniego załamania w punkcie 4". Układy dwuskładnikowe krzywe ostygania diagram fazowy Przypadek ograniczonej mieszalności faz stałych krzywe ostygania α - pierwsza faza stała β - druga faza stała Jaka jest liczba stopni swobody: s=α-β+2 w punktach 1, 2, 3?

46 Układy dwuskładnikowe Układ eutektyczny prosty Zastosowania: Stopy lutownicze dla potrzeb elektroniki (Pb - Sn - Cd) Niskotopliwe stopy eutektyczne (wieloskładnikowe); T top < 100 o C - samoczynne bezpieczniki przeciwpożarowe. Płyny niezamarzające do chłodnic samochodowych (1,2 - etanodiol - woda; t E = -40 o C) Walka z gołoledzią (NaCl - woda : t E = -21 o C; CaCl 2 - woda : t E = -50 o C) Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 46

47 Przykład oczyszczania metodą frakcyjnej krystalizacji Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 47

48 Mikrostruktura Cu Pt w obszarze dwufazowym Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.3 / 48