CÂN BẰNG LỎNG HƠI HỆ HAI CẤU TỬ

Bài số Cân lỏng hệ hai cấu tử PGS TS Vũ Ngọc Ban Giáo trình thực tập hóa lý NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007 Tr 16-21 Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác không chấp thuận nhà xuất tác giả Bài số CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ HAI CẤU TỬ Mục đích Xây dựng giản đồ cân lỏng - hai hệ chất lỏng hoà tan hoàn toàn vào (benzen - axeton) áp suất không đổi Lí thuyết Giản đồ cân lỏng - biểu thị phụ thuộc áp suất (khi T= const) nhiệt độ sôi (khi P = const) vào thành phần dung dịch thành phần cân với dung dịch − Đối với dung dịch lí tưởng phụ thuộc áp suất vào thành phần dung dịch tuân theo định luật Raun: áp suất riêng phần Pi cấu tử i tích áp suất cấu tử i nguyên chất Pio với nồng độ phân số mol xi dung dịch Với hệ hai cấu tử A B: PA = P Ao xA (1) PB = P Bo xB (2) ( P = PA + PB = PAo + PBo - PAo ) xB (3) Biểu thức (1), (2), (3) chứng tỏ áp suất riêng phần cấu tử áp suất chung P dung dịch lí tưởng hàm tuyến tính thành phần dung dịch (các đường PAo B, PBo A P Ao P Bo hình 1) Hình Sự phụ thuộc áp suất riêng phần cấu tử áp suất chung dung dịch lí tưởng vào thành phần Nói chung thành phần dung dịch lỏng khác với thành phần pha nằm cân với nên biểu thị phụ thuộc áp suất chung vào thành phần thu đường cong (đường chấm chấm hình 1) Đường thẳng P Ao P Bo gọi đường lỏng, hệ tồn trạng thái lỏng Đường cong chấm chấm gọi đường hơi, vùng hệ tồn trạng thái Khu vực nằm hai đường vùng dị thể gồm hai pha lỏng − Đối với dung dịch thực áp suất riêng phần áp suất chung lớn (sai lệch dương) nhỏ (sai lệch âm) so với áp suất dung dịch lí tưởng, theo định luật Raun Với dung dịch sai lệch dương, đường cong áp suất chung cong lên phía trên, với dung dịch sai lệch âm - cong xuống phía giản đồ cân lỏng dung dịch có dạng hình 2a, 2b Trong trường hợp sai lệch khỏi dung dịch lí tưởng lớn đường cong áp suất chung − thành phần xuất cực đại hay cực tiểu Tại điểm cực trị áp suất hơi, thành phần pha lỏng pha đồng (định luật Kônôvalôp) nên hỗn hợp ứng với thành phần có nhiệt độ sôi không đổi gọi hỗn hợp đẳng phí Giản đồ cân lỏng dung dịch có tạo thành hỗn hợp đẳng phí hình 3a, 3b Hình Giản đồ cân lỏng dung dịch sai lệch dương (a) sai lệch âm (b) Hình Giản đồ cân lỏng dung dịch tạo thành hỗn hợp đẳng phí có cực đại áp suất (a) có cực tiểu áp suất (b) Các giản đồ giản đồ đẳng nhiệt Trong thực tế thường sử dụng giản đồ cân lỏng đẳng áp, biểu thị phụ thuộc nhiệt độ sôi vào thành phần lỏng thành phần cân bằng, áp suất không đổi Trên hình biểu thị giản đồ cân lỏng đẳng áp hệ hai cấu tử không tạo thành hỗn hợp đẳng phí Đường cong biểu thị phụ thuộc nhiệt độ sôi vào thành phần dung dịch, đường cong biểu thị phụ thuộc nhiệt độ sôi vào thành phần pha nằm cân với dung dịch Khu vực hai đường ứng với hỗn hợp dị thể chất lỏng sôi bão hoà Một điểm nằm khu vực đặc trưng cho hệ gồm hai pha lỏng hơi, ví dụ điểm K hệ gồm pha lỏng thành phần l pha thành phần m Lượng tương đối pha pha lỏng xác định theo quy tắc đòn bẩy: L−îng pha h¬i Kl = L−îng pha láng Km Sự nghiên cứu giản đồ cân lỏng - có ý nghĩa lớn trình chưng cất phân chia cấu tử hỗn hợp Hình Giản đồ nhiệt độ sôi - thành phần pha lỏng pha hệ hai cấu tử Giả sử xét trình chưng cất hỗn hợp có thành phần x1 (hình 4) Khi nâng đến nhiệt độ t1 hỗn hợp sôi, phần tạo thành có thành phần ứng với điểm biểu diễn m Nếu ta ngưng phần thu ngưng có thành phần y1 giàu cấu tử dễ bay (cấu tử A), hỗn hợp lỏng ban đầu giàu cấu tử bay (cấu tử B) Trong trình đun nóng ngưng tiếp tục, dung dịch lỏng ban đầu nghèo A (theo chiều mũi tên đường cong lỏng) Giả sử phân đoạn cất thứ l kết thúc p Hỗn hợp lỏng ứng với điểm biểu diễn p có thành phần x2, nhiệt độ sôi t2 có thành phần y2 Hỗn hợp lỏng lại bình cất có thành phần trung bình x3 ngưng có thành phần trung bình y3 giàu A x1 Phân đoạn cất thứ hai bắt đầu với hỗn hợp lỏng y3 vừa ngưng Hỗn hợp y3, sôi nhiệt độ t3 phần bay có thành phần y4 giàu A y3 Cứ tiếp tục tiến hành nhiều lần thu phần ngưng cấu tử A nguyên chất Hỗn hợp lỏng lại bình giàu B dần, qua nhiều lần cất lại cấu tử B nguyên chất Trong thực tế trình chưng cất - ngưng tụ thực liên tục cột chưng cất Dựa vào giản đồ cân lỏng - tính toán số đĩa cần thiết cột để chưng cất cấu tử A B tinh khiết Đối với dung dịch có tạo thành hỗn hợp đẳng phí, việc chưng cất hỗn hợp có thành phần dư cấu tử so với hỗn hợp đẳng phí cho ta cấu tử tinh khiết (cấu tử dư) hỗn hợp đẳng phí Việc tách cấu tử tinh khiết khỏi hỗn hợp đẳng phí thực chưng cất thông thường mà phải dùng biện pháp riêng Tiến hành thí nghiệm Để xây dựng giản đồ cân lỏng - hệ hai cấu tử (benzen axeton) áp suất khí quyển, cần xác định nhiệt độ sôi chất tinh khiết, dung dịch có thành phần khác thành phần pha lỏng, pha ứng với nhiệt độ sôi Thành phần pha lỏng chấp nhận thành phần dung dịch pha chế ban đầu, thành phần pha xác định phương pháp đo chiết suất ngưng Chuẩn bị dung dịch xây dựng đường chuẩn: Chiết suất - Thành phần Dùng pipet (hoặc buret) lấy vào bình có nút nhám sấy khô hỗn hợp có thành phần bảng Bảng Số bình Thể tích benzen (ml) 12 16 18 20 Thể tích axeton (ml) 20 16 12 0 20 40 60 80 90 100 Thành phần (% thể tích benzen) Chiết suất Đậy nút bình, lắc Đo chiết suất cấu tử tinh khiết hỗn hợp khúc xạ kế Ápbơ theo hướng dẫn cán phòng thí nghiệm (Lượng dung dịch cần đo chiết suất nên dung dịch lại giữ để xác định nhiệt độ sôi) Ghi kiện thu theo bảng mẫu dùng giấy kẻ li xây dựng đường chuẩn chiết suất - thành phần Xác định nhiệt độ sôi thành phần pha cân Hình Dụng cụ cân lỏng Tiến hành thí nghiệm Dụng cụ thí nghiệm (hình 5) gồm bình cất (1) có hai cổ, cổ cắm nhiệt kế (2), cổ thứ hai nghiêng cắm sinh hàn (3) Vì sinh hàn gắn với cổ bình nút nhám (4) nên xoay sinh hàn sang vị trí khác (hình chấm chấm) để lấy ngưng Hơi ngưng thu vào cốc cân nhỏ có nút nhám (5) Đổ dung dịch có thành phần xác định vào bình (1) Bỏ vào bình vài viên đá bọt Đun cách thuỷ dung dịch sôi đều, ý không để sôi mạnh Có thể dùng cách đếm giọt chất lỏng ngưng bầu nhiệt kế (2) để điều khiển tốc độ sôi (khoảng 30 giọt phút) Khi tốc độ sôi nhiệt độ ổn định ghi lấy giá trị nhiệt độ (nhiệt độ sôi trước ngưng) Xoay nhanh ống sinh hàn vị trí lấy mẫu, lấy ÷ giọt ngưng vào cốc cân (5) sấy khô Đậy nắp cốc quay sinh hàn vị trí ban đầu đồng thời ghi nhiệt độ nhiệt kế (nhiệt độ sôi sau ngưng) Xác định chiết suất ngưng thu Đổ hỗn hợp lỏng bình (1) vào lọ chứa hỗn hợp thu hồi phòng thí nghiệm Lặp lại trình chưng cất hỗn hợp pha (Đối với chất tinh khiết cần xác định nhiệt độ sôi mà không cần lấy ngưng) Dựa vào đường chuẩn chiết suất thành phần nội suy thành phần ngưng ghi kết qủa theo bảng mẫu Bảng Thành phần hỗn hợp lỏng (% thể tích benzen) Nhiệt độ sôi Trước ngưng Sau ngưng Trung bình Chiết suất ngưng Thành phần ngưng (% thể tích benzen) 0% 20 % 40 % 60 % 80 % 90 % 100 % Dùng giấy kẻ li biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ sôi (trung bình) vào thành phần hỗn hợp lỏng thành phần ngưng, thu giản đồ cân lỏng - hệ benzen - axeton áp suất khí không đổi