Работа 1. Физико-химический анализ двухкомпонентной смеси.

Цель работы: По кривым охлаждения для бинарных смесей нескольких составов построить диаграмму плавкости, и с ее помощью определить состав контрольной смеси, состоящей из тех же компонентов.

Порядок выполнения работы:

1. Получить у лаборанта пробирки со смесями известных составов и с контрольной смесью, термометр и мешалку.

2. Взять одну из пробирок, записать в лабораторный журнал состав смеси, указанный на пробирке. Нагреть пробирку и, когда смесь расплавится, осторожно погрузить в нее шарик термометра и мешалку. На стенках термометра могут образоваться кристаллы, в этом случае пробирку нагреть до расплавления этих кристаллов.

3. Закрепить пробирку вместе с погруженным в расплав термометром в лапке штатива. Верхний конец столбика ртути должен быть освещён, и находиться на уровне глаз работающего.

4. Сразу после закрепления пробирки начать запись в журнал (табл. 1.1) температуры расплава, медленно помешивая его мешалкой. Отсчеты температуры делать через 30 сек. Важно визуально отметить температуру, при которой появляются первые кристаллы, после этого помешивание расплава можно прекратить. Наблюдение и запись температуры продолжать до тех пор, пока температура не будет близкой к комнатной.

5. Окончив опыт, расплавить смесь, вынуть термометр и вытереть его фильтровальной бумагой. Такие же опыты провести со всеми полученными смесями.

6. Построить на миллиметровой бумаге кривые охлаждения для каждой смеси, так чтобы 1мм на оси ординат соответствовал 0,5 °С, а на оси абсцисс-0,5 мин.

7. Найти по изломам на кривых охлаждения температуры начала кристаллизации (t_нач) и окончания кристаллизации расплава (t_Э) и записать их в таблицу 1.2 для всех смесей.

8. Построить диаграмму плавкости, исследуемой смеси в координатах "температура плавления(ось ординат) – состав(ось абсцисс)". Для этого нанести точки t_нач и t_Э на график, построенный в масштабе: по оси ординат 1мм равен 0,5 °С, по оси абсцисс 1 мм равен 1 % В. Соединить нанесенные точки линиями.

9. По кривым охлаждения определить длины эвтектических площадок для всех смесей ( l) и записать в таблицу 1.2.

10. Построить в нижней части диаграммы треугольник Таммана зависимость l от состава смеси. То есть на диаграмме отложить по вертикали вниз отрезки, пропорциональные или равные длинам горизонтальных участков (площадок) от оси состава для всех исследованных смесей, и соединить их концы

11. По кривой охлаждения для контрольной смеси определить температуры начала и конца кристаллизации и длину эвтектической площадки. С помощью диаграммы плавкости и треугольника Таммана определить состав контрольной смеси(если он не попал в составы исследуемых смесей, то находим экстраполяцией на ось ординат и ось абсцисс(состав)).

Таблица 1.1

Зависимость температуры смеси от времени охлаждения.

N смеси………..Состав смеси…………..

Время,мин.	t0C
0,5
1,0
1,5
2,0
….. …..

Таблица 1.2

Температурыкристаллизации смесей двух веществ различного состава.

№ проб.	масс.% В	tнач.кристал.°C	tЭ°C	l, мм

Варианты систем: камфора - бензойная кислота

бензойная кислота – дифениламин

бензойная кислота – мочевина

Контрольные вопросы

Перед выполнением работы:

1. Нарисовать диаграмму плавкости системы из двух веществ, растворимых в жидкой и нерастворимых в твердой фазах .

2. Какую зависимость называют кривой охлаждения?

3. Как из набора кривых охлаждения построить диаграмму плавкости?

4. Каковы причины отклонения реальной кривой охлаждения от идеальной? Объясните появление минимумов на кривых охлаждения.

5. Какие данные необходимы для построения треугольника Таммана?

К защите работы:

1. На чем основан термический анализ?

2. Назовите компоненты и фазы изученной вами системы.

3. Какой набор фаз в каждом поле полученной диаграммы?

4. Как примеси влияют на температуру плавления вещества?

5. Сформулируйте правило фаз Гиббса.

6. Определите число степеней свободы в каждом поле диаграммы и налинии эвтектики.

7. От чего зависит длина эвтектической площадки на кривой охлаждения?

8. Как отличить эвтектическую смесь от смеси любого другого состава?

9. В каких случаях необходим треугольник Таммана при определениисостава смеси?

10. Два образца имеют одинаковые температуры плавления. Как доказать,что эти образцы имеют одинаковый состав?

Работа 2. Термический анализ лекарственных смесей

Для термического анализа бинарных лекарственных смесей можно использовать упрощенный метод наблюдения начала и конца плавления небольших количеств смесей в узких капиллярах.

Цель работы: Определить температуры начала и конца плавления смесей различного состава, построить диаграмму плавкости, определить эвтектическую точку и состав эвтектической смеси. Отметить области на диаграмме, описать состав фаз в каждой из них.

Порядок выполнения работы:

1. Заполняют капилляры индивидуальными компонентами и их смесями (по одному для смеси каждого состава). Для этого исследуемое вещество набирают в капилляр, постоянно уплотняя его постукиванием запаянным концом капилляра о поверхность стола. Для лучшего уплотнения капилляр несколько раз бросают в стеклянную трубку длиной 60-80 см, поставленную вертикально на стол. Эту операцию прекращают только тогда, когда уровень порошка в капилляре станет постоянным и равны 1-1,5 см.

2. Капилляр прикрепляют резиновым кольцом к термометру так, чтобы его заполненная часть была на уровне резервуара с ртутью. Термометр закрепляют в "воздушной рубашке" масляной бани, следя за тем, чтобы термометр не касался дна "воздушной рубашки", а уровень масла в бане был выше верхнего конца капилляра.

3. Измерение температуры плавления смесей разного состава проводят при медленном нагревании масляной бани (3-4 град/мин), отмечают температуру начала плавления смеси (t_нач), когда вещество "съёживается" и отходит от стенок капилляра. На этом этапе нагревание замедляют, после чего отмечают температуру конца плавления t_Э, когда расплав в капилляре становится совершенно прозрачным. Результаты измерений заносят в таблицу 1.2.

Нагревание каждой последующей смеси проводят в предварительно охлажденной бане, поэтому для выполнения задания необходимо использовать две бани. Пока одна находится в работе, другая остывает на воздухе. При работе с масляной баней следят за тем, чтобы масло в ней не перегревалось. Охлаждать масляную баню водой категорически запрещается.

4. Для измерения температуры плавления индивидуальных веществ поступают аналогично описанному в п.3 с той лишь разницей, что фиксируют и заносят в таблицу одну температуру (t_нач), т.к. индивидуальные вещества плавятся при постоянной температуре.

5. Строят диаграмму плавкости исследуемой смеси в координатах: температура плавления - состав. Для этого на график наносят точки t_нач и t_Э соответствующие каждому исследованном составу, соединяют полученные точки.(см. работу1)

6. На диаграмме отмечают гомогенную и гетерогенные области, рассчитывают число степеней свободы в области выше и ниже линии ликвидуса.

7. Определяют количественный состав контрольной смеси. Пользуясь описанным в пп.2-4 операциями, измеряют температуры начала и конца плавления смеси, а затем по построенной диаграмме плавкости определяют возможный состав контрольной задачи.

Варианты систем: аспирин – фенацитин

пирамидон – аспирин

пирамидон – фенацитин

Трехкомпонентные системы

Для изображения составов трёхкомпонентных систем при постоянных температуре и давлении применяют метод треугольника Гиббса-Розебома. Это равносторонний треугольник (см. рис. 1.3), вершины которого соответствуют индивидуальным чистым веществам А , В и С (однокомпонентные системы). Стороны выражают составы двухкомпонентных систем А и В, В и С, А и С. Все точки внутри треугольника описывают составы трёхкомпонентных систем.

Так как в вершине треугольника концентрация вещества максимальна (100%), а на стороне ВС, противоположной этой вершине, она равна нулю, концентрация вещества в системе возрастает при движении от стороны к вершине по любой линии.

Для определения состава трехкомпонентной системы пользуются следующими свойствами прямых, проведенных в треугольнике Гиббса-Розебома:

1. Все точки, лежащие на прямой, параллельной стороне треугольника, отвечают растворам с одинаковым содержанием компонента, расположенного в противоположной вершине, и с изменяющимся количеством двух других. Например, на линии fde’g (рис. 1.За) концентрация вещества А постоянна и равна 30%;

2. На прямой, проходящей через вершину треугольника, например на линии Ае (рис. 1.За),отношение концентраций компонентов В и С одинаково и равно в данном случае отношению отрезков Се: Be = 7:3.

Для нахождения состава раствора, отвечающего точке d на диаграмме, достаточно через данную точку провести линии, параллельные сторонам треугольника. Отрезки, отсеченные этими линиями на сторонах треугольника, укажут содержание соответствующих компонентов. Отрезок, gВ (или fC) соответствует 30% вещества А. Отрезок Аb, отсекаемый на стороне АС, линией, параллельной стороне АВ, отвечает 50% вещества С. Концентрация вещества В равна 20%.

а б

Рис.1.3а) Изображение состава трехкомпонентной системы с помощью треугольника Гиббса-Розебома. б) Диаграмма растворимости трех жидкостей, две из которых (ВиС) взаимно нерастворимы, а третья (А) неограниченно растворима в первых двух .

На рис. 1.3.б представлен вид диаграммы - изотермы растворимости трёх жидкостей для случая, когда система состоит из двух (С и В) взаимно нерастворимых компонентов и третьего (А), неограниченно растворимого в каждом из первых двух.

Внутри треугольной диаграммы состояния имеются две области - однофазная и двухфазная, а линия, разделяющая эти две области, характеризует составы равновесных насыщенных растворов. Любая фигуративная точка внутри двухфазной области описывает суммарный состав системы, которая распадается на две фазы, различающиеся по составу. Их состав можно определить, проведя ноду kxqo. Например, в точке х в равновесии находятся насыщенные растворы, соответствующие на диаграмме точкам k и q. Все продолжения нод для такой системы сходятся в одной точке вне треугольника, как показано на рис. 1.3.б (правило Тарасенкова)

Число степеней свободы для трехкомпонентной системы при постоянных температуре и давлении рассчитывается по формуле:

С = 3-Ф