8.6: Фазові діаграми для бінарних сумішей

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21161

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Як пропонує правило фази Гіббса, найважливішими змінними, що описують суміш, є тиск, температура та склад. У випадку однокомпонентних систем склад не важливий, тому на фазовій діаграмі зазвичай зображуються лише тиск і температура. Однак для сумішей з двома компонентами склад має життєво важливе значення, тому, як правило, існує вибір, який повинен бути зроблений щодо того, чи інша змінна, яка буде зображена, є температурою чи тиском.

Температурно-складові діаграми дуже корисні в описі двійкових систем, багато з яких будуть для двофазних складів при самих різних температурах і складах. У цьому розділі ми розглянемо кілька видів випадків, коли склад бінарних сумішей зручно зображати за допомогою такого роду діаграм стану.

Частково змішувані рідини

Пара рідин вважається частково змішуваної, якщо є набір складів, над якими рідини будуть утворювати двофазну рідинну систему. Це поширена ситуація і є загальним випадком для пари рідин, де одна полярна, а інша неполярна (наприклад, вода та рослинна олія). Інший випадок, який зазвичай використовується в лабораторії органічної хімії, - це поєднання діетилового ефіру та води. При цьому диференціальна розчинність в незмішуваних розчинниках дозволяє використовувати двофазну рідинну систему для поділу розчинених речовин методом сепараторної воронки.

Як і у випадку з більшістю розчинених речовин, їх розчинність залежить від температури. Для багатьох бінарних сумішей незмішуваних рідин змішуваність збільшується з підвищенням температури. І тоді при деякій температурі (відомій як верхня критична температура) рідини стають змішуваними у всіх складах. Приклад фазової діаграми, що демонструє таку поведінку, наведено на малюнку\(\PageIndex{1}\). Прикладом бінарної комбінації, яка показує таку поведінку, є метилацетату та дисульфіду вуглецю, для яких критична температура становить приблизно 230 К в одній атмосфері (Ferloni & Spinolo, 1974). Аналогічна поведінка спостерігається для сумішей гексан/нітробензол, для яких критична температура становить 293 К.

Інша умова, яка може виникнути, полягає в тому, щоб дві незмішувані рідини стали повністю змішаними нижче певної температури або мали нижчу критичну температуру. Прикладом пари сполук, які показують таку поведінку, є вода і триметиламін. Типова діаграма стану для такої суміші показана на малюнку\(\PageIndex{2}\). Деякі комбінації речовин показують як верхню, так і нижню критичну температуру, утворюючи двофазні рідинні системи при температурах між цими двома температурами. Прикладом поєднання речовин, що демонструють поведінку, є нікотин і вода.

Правило важеля

Склад і кількість матеріалу в кожній фазі двофазної рідини можна визначити за допомогою правила важеля. Це правило можна пояснити за допомогою наступної схеми.

Припустимо, що температура і склад суміші задаються точкою b на наведеній вище схемі. Відрізок горизонтальної лінії, що проходить через точку б, закінчується в точках a і c, які вказують на склади двох рідких фаз. Точка а вказує на мольну фракцію сполуки B (\(\chi_B^A\)) у шарі, який є переважно A, тоді як точка c вказує на склад (\(\chi_B^B\) ) шару, який є переважно сполукою B. Відносні кількості матеріалу в двох шарах обернено пропорційна довжині зв'язкових ліній a-b і b-c, які задаються\(l_A\) і\(l_B\) відповідно. У перерахунку на моль фракції,

\[ l_A = \chi_B - \chi_B^A\]

\[ l_A = \chi_B^B - \chi_B \]

Кількість молей матеріалу в шарі А (\(n_A\)) і кількість молів в шарі В (\(n_B\)) обернено пропорційні довжинам двох ліній\(l_A\) і\(l_B\).

\[ n_A l_A = n_B l_B\]

Або, підставляючи вищевказані визначення довжин\(l_A\) і\(l_B\), співвідношення цих двох довжин дає співвідношення родимок в двох фазах.

\[ \dfrac{n_A}{n_B} = \dfrac{l_B}{l_A} = \dfrac{ \chi_B^B - \chi_B}{\chi_B - \chi_B^A}\]