8.8: Неідеальність - Закон Генрі та азеотропи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21154

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

Продовжувана дискусія базувалася на поведінці ідеальних розчинів летких сполук, і для яких обидві сполуки дотримуються закону Рауля. Закон Генрі може бути використаний для опису цих відхилень.

\[ p_B = k_H p_B^o\]

Для чого визначається константа Закону Генрі (\(k_H\)) для конкретного з'єднання. Закон Генрі часто використовується для опису розчинності газів у рідинях. Відносини до закону Раульта узагальнено на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Взаємозв'язок між законом Рауля та законом Генрі для бінарної суміші.

Закон Генрі зображений верхньою прямою лінією, а Закон Рауля - нижньою.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Solubility of Carbon Dioxide in Water

Розчинність\(CO_2(g)\) у воді при 25 ^о С становить 3,32 х 10 ^-2 М при парціальному тиску\(CO_2\) над розчином 1 бар. Припускаючи, що щільність насиченого розчину дорівнює 1 кг/л, обчислити константу Закону Генрі для\(CO_2\).

Рішення:

В одному л розчину знаходиться 1000 г води (якщо припустити, що маса розчиненого СО ₂ мізерно мала.)

\[ (1000 \,g) \left( \dfrac{1\, mol}{18.02\,g} \right) = 55\, mol\, H_2O\]

Розчинність\(CO_2\) може бути використана для знаходження кількості молів\(CO_2\) розчинених в 1 л розчину також:

\[ \dfrac{3.32 \times 10^{-2} mol}{L} \cdot 1 \,L = 3.32 \times 10^{-2} mol\, CO_2\]

і так моль частка\(CO_2\) є

\[ \chi_b = \dfrac{3.32 \times 10^{-2} mol}{55.5 \, mol} = 5.98 \times 10^{-4}\]

І так

\[10^5\, Pa = 5.98 \times 10^{-4} k_H\]

або

\[ k_H = 1.67 \times 10^9\, Pa\]

Азеотропи

Азеотроп визначається як загальний склад пари та рідини, коли вони мають однаковий склад.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Фазові діаграми для (зліва) максимальної температури кипіння азеотропа і (праворуч) Ta максимальної температури кипіння азеотропа.

Азеотропи можуть бути як максимальним кипінням, так і мінімальним кипінням, як показано на малюнку\(\PageIndex{2; left}\). Незважаючи на це, дистиляція не може очищатися повз точки азеотропу, оскільки парова та ліквідна фази мають однаковий склад. Якщо система утворює мінімальний киплячий азеотроп, а також має діапазон складів і температур, при яких існують дві рідкі фази, діаграма стану може виглядати так\(\PageIndex{2; right}\):

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Діаграма стану для бінарного розчину з температурою кипіння мінімального кипіння азеотропа, що вище, ніж при змішуванні компонентів (однофазний).

Ще одна поширена можливість полягає в тому, що дві речовини утворюють двофазну рідину, утворюють мінімальний киплячий азеотроп, але азеотроп кипить при температурі, нижче якої дві рідкі фази стають змішуваними. В цьому випадку діаграма стану буде виглядати як рис\(\PageIndex{3}\).

Приклад\(\PageIndex{1}\):

На схемі складають систему в кожному регіоні зведені нижче діаграми. Точка е вказує на азеотропний склад і температуру кипіння.

Однофазна рідина (переважно з'єднання А)
Однофазна рідина (переважно з'єднання B)
Однофазна рідина (переважно А) і пара
Однофазна рідина (переважно В) і пара
Пара (змішуються на всіх мольних фракціях, оскільки це газ)

Рішення

У межах кожної двофазної області (III, IV та двофазної рідкої області, правило важеля буде застосовуватися для опису складу кожної присутньої фази. Так, наприклад, система зі складом і температурою, представленими точкою b (однофазна рідина, яка в основному являє собою з'єднання А, позначене складом в точці а, і пар зі складом, позначеного таким в точці c), буде описана правилом важеля з використанням довжин зв'язкових ліній. л _А і л _Б.