Фазовое равновесие контрольные вопросы

1. Что такое фаза, компонент, степень свободы?

2. Как изображается графически равновесие систем одновариантных, двухва­риантных и безвариантных?

3. От чего зависит продолжительность эвтектической остановки?

4. Что такое правило рычага?

5. В чем заключается физико-химический метод анализа?

6. На чем основан термический анализ? Можно ли предвидеть характер кривых охлаждения?

7. Какой вид имеют диаграммы равновесия двух веществ: 1) с простой эвтек­тикой; 2) если вещества образуют между собой устойчивое химическое соединение; соединение, которое разлагается, не достигнув температуры плавления (на диаграмме скрытый максимум); 3) когда два вещества неограниченно растворяются в твердом и жидком виде; ограниченно растворяются в твердом виде; ограниченно растворяются в жидком виде?

На каждой диаграмме показать значение отдельных площадей, линии, точек, число компонентов, степеней свободы, фаз, их состав и весовое соотношение; начали и конец плавления любого сплава. Построить кривые охлаждения сплавов различ­ных составов и объяснить при этом процессы, протекающие на отдельных участках кривых охлаждении. Сплавы каких составов будут иметь постоянную температуру плавления?

8. В чем различие понятий «эвтектическая точка», «эвтектическая температура» и «эвтектика».

9. Приведите конкретные примеры различной взаимной растворимости двух жидкостей.

10. Начертите диаграмму ограниченной растворимости двух жидкостей с нижней критической точкой и проведите на диаграмме конноды (ноды). Может ли коннода идти наклонно относительно оси состава? Что она соединяет?

11. Что такое сопряженные фазы (слои)?

12. Приведите формулировку правила, определяющего относительные коли­чества сопряженных фаз?

13. Что называется экстракцией? Какой закон лежит в основе процесса экстрагирования?

14. Одинаков ли эффект извлечения брома из водного раствора, содержа­щего 30 г брома в 1 л воды, при однократной и трехкратной экстракции одним и тем же количеством сероуглерода. Ответ подтвердите расчетом (коэффи­циент распределения равен 0,0125 при 20° С).

Лабораторная работа № 4. Растворение фенола в воде.

Цель работы:

1. Изучить взаимную растворимость воды и фенола при различных температурах.

2. Построить диаграмму «состав — температура растворения» двойной жидкой системы вода — фенол и определить критиче­скую точку растворения.

Приборы и посуда:

1. Прибор для изучения взаимной растворимости жидкостей визуально-политермическим методом;

2. Пипетка.

Реактивы и материалы:

1. Фенол;

2. Дистиллированная вода.

Методика выполнения работы

В работе предлагается политермический метод исследования. В данном случае его можно назвать визуально-политермическим, так как смесь фенола и воды опре­деленного состава нагревают или охлаждают и определяют визуаль­но, при какой температуре начнется расслоение в системе или наобо­рот — взаимное растворение.

Изменение состава системы можно проводить двумя путями: или добавляя к навеске воды различные количества фенола, или добавляя различные количества воды к навеске фенола. Второй путь более удобный, так как позволяет исследовать диаграмму взаимной растворимости, использовав максимально для работы две навески фенола. Необходимое количество воды можно брать по объему, добавляя ее пипеткой. Поэтому предлагаемая методика упрощает эксперимент и значительно экономит время.

При работе с фенолом строго соблюдать правила по технике безопасности. Необходимо помнить, что, помимо токсичности, фенол вызывает тяжелые химические ожоги кожи, глаз. Тяжесть ожогов значительно повышается, если фенол или раствор нагрет. При попадании фенола на кожу, в глаза немедленно промыть пораженный уча­сток большим количеством воды.

Для изучения взаимной растворимости жидкостей визуально-политермическим методом удобно пользоваться прибором, изо­браженным на рис. 6.

Пробирка 1 (объемом 40—50 мл), в которую помещается смесь, заключается в воздушную муфту 2. Воздушная прослойка между пробиркой и муфтой способствует более равномерному нагреванию и охлаждению смеси. В качестве водяной бани используется стеклянный стакан емкостью 1,5—2 л, который за­полняется дистиллированной водой. Температура воды в бане поддерживается ~ 80° С. В качестве охладительной смеси используется смесь снега или толченого льда с хлористым нат­рием ( t_пл. = – 4, –5° С).

Изучение диаграммы «состав — температура растворения» лучше проводить двум студентам. Первому предлагается исследо­вать 8—9 точек, например от 80 — до 45% фенола (исходная на­веска 4 г), другому — 8—9 точек от 45 до 5% фенола (исходная навеска 1,5 г), а потом следует построить диаграмму, используя данные обоих студентов.

Рис. 6. Прибор для изучения взаимной растворимости жидкостей визуально-политермическим методом.

Получив у преподавателя задание, например, изучить взаимную растворимость составов, содержащих: 80; 75; 70; 67,5; 65; 62,5; 60; 57,5; 55% фенола, вначале рассчитывают количества воды, которые необходимо добавлять от точки к точке (воду удобнее добавлять пипеткой по объему). При расчете исходят из навески фенола 4 г и учитывают уже добавленное количество воды. В точке № 1 (80% фенола +20% воды) количество воды равно 1 г, поэтому для приготовления смеси № 2, содержащей 75% фенола (точка № 2, см. табл. I отчета), добавляют не 1.33 г воды, а 0,33 г (т. е. 0,33 мл), так как 1 г был уже добавлен при приготовлении смеси № 1, а для приготовления смеси № 3, содер­жащей 70% фенола, добавляют 0,38 мл к смеси № 2 и т. п. Сум­марный объем воды должен быть равен рассчитанному количе­ству воды последней точки, т. е., например, для точки № 3 он равен 1,71 мл:

∑V(Н₂О) = 1,00+0,33+0,38 = 1,71 мл.

Фенол — твердое легкоплавкое вещество (температура плав­ления 42° С), которое в присутствии небольших количеств воды плавится при комнатной температуре. Для исследования берут исходную навеску фенола 4 г в пробирку 1. Добавляют необходи­мое количество воды, например 20% по весу, т. е. 1 мл. Встряхи­вают, вставляют алюминиевую мешалку 4 (рис. 6), (исследуемая смесь не действует на Аl) и закрывают пробирку корковой пробкой с обычным термометром 3 (рис.6), шкала которого градуирована от 0 до +100° С. Ртутный шарик термометра погружают в среднюю часть жидкой смеси.

Если приготовленная смесь гетерогенна, т. е. представляет собой две фазы (мутно-молочная смесь), то опыт начинают с на­гревания в водяной бане и определения температуры взаимного растворения. Если приготовленная смесь гомогенна, т. е. пред­ставляет собой одну фазу (прозрачный раствор), опыт начинают с охлаждения в охладительной смеси и определения температуры расслоения. Укрепив пробирку в воздушной муфте, опускают ее или в охладительную смесь, или в водяную баню. При непрерыв­ном перемешивании смеси фенола с водой отмечают температуру, при которой происходит изменение фазового равновесия, хорошо заметное по изменению внешнего вида смеси и цвета: гетероген­ное равновесие (2 фазы) — смесь мутно-молочная, непрозрач­ная; гомогенное равновесие (1 фаза) — раствор прозрачный, ро­зового цвета. Фиксируют температуру фазового перехода. Далее опыт проводят в обратном направлении, т. е. если первоначально смесь нагревали и отмечали температуру взаимного растворе­ния, то затем ее охлаждают и отмечают температуру расслоения. Разность температур взаимного растворения и расслоения не должна превышать 0,5°. Указанная методика позволяет получать точки взаимного расслоения и растворения с точностью до 0,2— 0,5°. Повторяют опыт с той же смесью 2—3 раза. Результаты определений заносят в табл. I (см. форму отчета).

Затем в смесь фенола с водой добавляют пипеткой необходи­мое количество воды, встряхивают и определяют температуру взаимного растворения и расслоения и т. д.

При изучении взаимной растворимости составов, содержащих от 45 до 5 % фенола, исходят из навески 1,5 г фенола. Методика работы та же.