Бинарные жидкие системы

Бинарные жидкие системы

Жидкое состояние

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. С газами жидкости сближает прежде всего их изотропность (одинаковость физических свойств по всем направлениям) и текучесть (способность легко изменять внешнюю форму под воздействием малых нагрузок). Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твердым телам. Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жестких сил межмолекулярного взаимодействия. В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объем, указывает на присутствие хотя и не жестких, но все же значительных сил взаимодействия между частицами. 

Для каждого агрегатного состояния характерно свое соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества. У твердых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твердых телах частицы занимают определенные положения друг относительно друга и лишь колеблются около этих положений. Для газов соотношение энергий обратное, вследствие чего молекулы газа всегда находятся в состоянии хаотического движения, и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковые, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жестко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объем.

В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме данной жидкости. У жидкостей сильно выражена самодиффузия, т.е. непрерывные переходы молекул с места на место. Физико-химические свойства жидкости зависят от природы образующих ее частиц и от интенсивности их взаимодействия между собой. 

Внутренне строение жидкостей выяснено только в самых общих чертах, и до настоящего времени не создано общей теории жидкого состояния. Объясняется это тем, что внутреннее строение жидкостей значительно сложнее внутреннего строения газов и кристаллов. По сравнению с газами жидкости обладают прежде всего во много раз большей плотностью. Расстояния между молекулами в жидкости настолько малы, что свойства жидкости в значительной степени определяются собственным объемом молекул и взаимным притяжением между ними, в то время как в газах в обычных условиях влияние этих факторов незначительно. При малых расстояниях между молекулами имеют значение также их геометрическая форма и полярные свойства. Свойства полярных жидкостей зависят не только от взаимодействия молекулы с молекулой, но и от взаимодействия между отдельными частями разных молекул. 

Когда молекулы жидкости обладают полярностью, то, кроме взаимного притяжения между ними, свойственного и неполярным молекулам, проявляется и взаимодействие между разными частями молекул, несущими электрический заряд. Это делает неравноценным различные положения молекул. Так, положение, отвечающее взаимному отталкиванию обоих концов молекул (рис. 8.1. а), будет неустойчивым. Точнее, при сколько-нибудь значительной полярности молекул это положение не сможет возникнуть вследствие взаимного отталкивания молекул уже при сближении их в таком положении. Наоборот, положение, которое отвечает усилению взаимного притяжения между молекулами (рис. 8.1. б), является преимущественным и будет сохраняться более продолжительное время. 

Оно соответствует большей  взаимной связанности 

  молекул, и образование его 

  сопровождается выделением

некоторой энергии. 

а б Подобный комплекс из 

полярных молекул может

содержать не только две 

Рис. 8.1 Взаимное положение молекулы, но и большее чис-

полярных молекул в жидкости: ло их. Явление образования 

а) – неустойчивое (отталкивание); таких комплексов получило 

б) – устойчивое (притяжение). название ассоциации (объеди- 

нение). К ассоциированным жидкостям относятся вода, спирты, ацетон, сжиженный аммиак и др. Степень ассоциации бывает различной. Сильно ассоциированные жидкости заметно отличаются от нормальных по многим свойствам. Ассоциация вызывает увеличение теплоты испарения, уменьшает летучесть жидкости и соответственно изменяет другие свойства. 

Впрочем, при обычных температурах одного дипольного взаимодействия недостаточно, чтобы вызвать такую высокую степень ассоциации, которая наблюдается, например, между молекулами воды, аммиака и других сильно полярных жидкостей. Основной причиной ассоциации в этих условиях служит образование между молекулами водородной связи.

Испарение жидкости

Испарение – это процесс перехода молекул вещества со свободной поверхности жидкости в газовую фазу при температуре ниже точки кипения. 

По мере нагревания жидкости достигается такая температура, при которой во всем объеме жидкости возникают пузырьки пара. Процесс парообразования при этом резко ускоряется. Его интенсивность определяется количеством тепла, подводимого к жидкости. Этот процесс называется кипением, а температура – соответственно, температурой кипения. 

Чем выше температура кипения жидкости, тем при нормальных условиях меньше пара над ней образуется в единицу времени.

При испарении жидкости со свободной поверхности затраты энергии восполняются подводом тепла из окружающей среды, если ее температура выше, чем у жидкости. Если же исходные температуры жидкости и окружающего воздуха одинаковы, то испарение будет сопровождаться понижением внутренней энергии жидкости, что приводит к постепенному понижению ее температуры. Данное понижение тем больше, чем выше удельная теплота ее испарения и чем интенсивнее процесс парообразования. Так например, в комнатных условиях при испарении горючих жидкостей таких как СН3ОН (метанол), СН3СОСН3 (ацетон) и С2Н5ОС2Н5 (диэтиловый эфир) их температура понижается на 7-10 оС относительно окружающего воздуха. Эта закономерность сохраняется и при горении перечисленных выше веществ, поскольку затраты тепла на испарение не компенсируются тепловым потоком от факела пламени.

Если испарение протекает в закрытом сосуде, то через некоторое время наступает равновесие между числом молекул, покинувших и вернувшихся обратно в жидкость. Наступает динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. 

Давление насыщенного пара жидкостей и его зависимость от температуры 

Жидкости испаряются при любой температуре при наличии свободного объема. Испарение происходит с поверхности, причем тех молекул, которые имеют повышенную в 5-10 раз энергию по сравнению со средней.

Если испарение протекает в закрытом сосуде, то образующийся пар производит давление на стенки сосуда и жидкость, т.е. пар обладает давлением . Давление насыщенного пара является характерной величиной для жидкости при данной температуре и приводится в справочной литературе. 

Давление насыщенного пара жидкости с повышением температуры увеличивается (рис. 8.2), и как только оно станет равным атмосферному, жидкость закипает. Из рис. 8.2 видно, что давление насыщенного пара закономерно повышается с увеличением температуры. При одинаковом внешнем давлении жидкости закипают при различной температуре, так как имеют неодинаковое давление насыщенного пара.

 ацетон этанол вода

Температура, оС 

Рис. 8.2 Зависимость давления насыщенного пара (Р10-5 Па.) жидкости от температуры (ацетон, этиловый спирт, вода – соответственно).

Если изменить внешнее давление, то температура кипения жидкости будет изменяться. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается, а с понижением (вакуум) – уменьшается. При определенной величине внешнего давления жидкость может кипеть при комнатной температуре.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается уравнением Клаузиуса – Клапейрона 

, (8.1)

где  - мольная энтальпия испарения, ;  - мольное изменение объема в процессе испарения, равное .

При испарении жидкости резко изменяется объем паровой фазы по сравнению с жидкой. Так, при испарении 1 воды при 25 оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется 1244 пара, т.е. объем увеличился в 1244 раза. Поэтому в уравнении объемом жидкости можно пренебречь: , .

Тогда

. (8.2)

С учетом уравнения Менделеева–Клапейрона  и тогда

 . (8.3)

Интегрирование уравнения (8.3) приводит к формуле 

. (8.4)

Эта формула носит имя двух ученых – Клаузиуса и Клапейрона, которые вывели ее из различных исходных положений.

Формула Клаузиуса–Клапейрона применима ко всем фазовым переходам, включая плавление, испарение и растворение вещества.

Теплота испарения жидкости  - это количество теплоты, поглощаемое жидкостью при изотермическом испарении. Различают мольную теплоту испарения и удельную теплоту испарения (относящуюся к 1 г жидкости). Чем выше теплота испарения, тем жидкость при прочих равных условиях испаряется медленнее, так как молекулам приходится преодолевать большие силы межмолекулярного взаимодействия.

Сопоставление теплот испарения может быть более простым, если их рассматривать при постоянной температуре.

Для определения  широко используется правило Трутона: мольная теплота испарения при атмосферном давлении (Р = const) различных жидкостей прямо пропорциональна их температуре кипения Ткип 

 или 

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом Трутона и для большинства нормальных (неассоциированных) жидкостей равен 88,2 - 92,4 .

Теплота испарения данной жидкости зависит от температуры. С повышением температуры она понижается и при критической температуре становится равной нулю.

В инженерных расчетах используется эмпирическое уравнение Антуана

, (8.5)

где А, В,  - константы, характеризующие вещество.

Найденные зависимости давления насыщенного пара от температуры используются в пожарно–технических расчетах для вычисления концентра- ции пара (; %), температурных пределов распространения пламени

.

В условиях пожара жидкости испаряются в окружающее пространство. Скорость испарения жидкости при этом определяет скорость ее выгорания. В этом случае на скорость испарения решающее влияние оказывает количество тепла, поступающее из зоны горения.

Скорость выгорания жидкостей непостоянна. Она зависит от начальной температуры жидкости, диаметра резервуара, уровня жидкости в нем, скорости ветра и т.д. 

Давление насыщенного пара над растворами неограниченно смешивающихся жидкостей

В практике широко используются многочисленные растворы, состоящие из двух и более хорошо растворимых друг в друге жидкостей. Наиболее простыми являются смеси (растворы), состоящие из двух жидкостей – бинарные смеси. Закономерности, найденные для таких смесей, можно использовать и для более сложных. К таким бинарным смесям можно отнести: бензол-толуол, спирт-эфир, ацетон-вода, спирт-вода и т.д. В этом случае в паровой фазе содержатся оба компонента. Давление насыщенного пара смеси будет слагаться из парциальных давлений компонентов. Так как переход растворителя из смеси в парообразное состояние, выражаемое его парциальным давлением, тем значительнее, чем больше содержание его молекул в растворе, Рауль нашел, что «парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором равно произведению давления насыщенного пара над чистым растворителем при той же температуре на его мольную долю в растворе»:

, (8.6)

где  - давление насыщенного пара растворителя над смесью; - давление насыщенного пара над чистым растворителем; N – мольная доля растворителя в смеси.

Уравнение (8.6) является математическим выражением закона Рауля. Для описания поведения летучего растворенного вещества (второго компонента бинарной системы) применяется это же выражение:

. (8.7)

Общее давление насыщенного пара над раствором будет равно (закон Дальтона):

 . (8.8)

Зависимость парциального и общего давления паров смеси от ее состава показана на рис. 8.3, где на оси ординат отложено давление насыщенных паров, а на оси абсцисс – состав раствора в мольных долях. При этом по оси абсцисс содержание одного вещества (А) убывает слева направо от 1,0 до 0 мольных долей, а содержание второго компонента (В) одновременно в том же направлении увеличивается от 0 до 1,0. При каждом определенном составе общее давление насыщенного пара равняется сумме парциальных давлений. Общее давление смеси изменяется от давления насыщенного пара одной индивидуальной жидкости  до давления насыщенного пара второй чистой жидкости.

Законы Рауля и Дальтона часто используются для оценки пожарной опасности смесей жидкостей.



Состав смеси, мольные доли

Рис. 8.3 Диаграмма состав раствора – давление насыщенного пара

Обычно состав паровой фазы не совпадает с составом жидкой фазы и паровая фаза обогащена более летучим компонентом. Это различие можно изобразить и графически (график имеет вид аналогичный графику на рис. 8.4, только на оси ординат взята не температура а давление).

В диаграммах, представляющих зависимость температур кипения от состава (диаграмма состав-температура кипения рис. 8.4), обычно принято строить две кривые, одна из которых связывает эти температуры с составом жидкой фазы, а другая с составом пара. Нижняя кривая относится к составам жидкости (кривая жидкости), а верхняя – к составам пара (кривая пара).

Поле, заключенное между двумя кривыми, соответствует двухфазной системе. Любая точка, находящаяся в этом поле, отвечает равновесию двух фаз – раствора и насыщенного пара. Состав равновесных фаз определяется координатами точек, лежащих на пересечении изотермы, проходящей через кривые, и данную точку.

При температуре t1 (при данном давлении) будет кипеть жидкий раствор состава х1 (точка а1 на кривой жидкости), пар, равновесный с этим раствором, обладает составом х2 (точка b1 на кривой пара).

Т.е. жидкости состава x1 будет соответствовать пар состава х2.

Исходя из выражений: , , , , 

взаимосвязь между составом жидкой и паровой фаз может быть выражена соотношением: 

 . (8.9)



Рис. 8.4. Диаграмма состав-температура кипения двойных смесей.

Реальное давление насыщенного пара индивидуальной жидкости при данной температуре есть характерная величина. Практически нет жидкостей, которые бы обладали одинаковыми значениями давления насыщенного пара при одной и той же температуре. Поэтому  всегда больше или меньше . Если >, то >, т.е. состав паровой фазы обогащен компонентом А. Изучая растворы, Д.П. Коновалов (1881г.) сделал обобщение, получившее название первого закона Коновалова.

В двойной системе пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно богаче тем из компонентов, прибавление которого к системе повышает общее давление пара, т.е. понижает температуру кипения смеси при данном давлении.

Первый закон Коновалова является теоретической основой для разделения жидких растворов на исходные компоненты путем фракционной перегонки. Например, система, характеризуемая точкой К, состоит из двух равновесных фаз, состав которых определяется точками a и b: точка а характеризует состав насыщенного пара, точка b - состав раствора.

По графику можно провести сопоставления составов паровых и жидких фаз для любой точки, заключенной в плоскости между кривыми.

Реальные растворы. Закон Рауля не выполняется для реальных растворов. Отклонение от закона Рауля существует двух типов:

парциальное давление растворов больше давлений или летучести паров идеальных растворов. Общее давление пара больше аддитивной величины. Такие отклонения называются положительными, например, для смесей (рис. 8.5 а, б) CH3COCH3-C2H5OH, CH3COCH3-CS2, C6H6- CH3COCH3, H2O-CH3OH, C2H5OH-CH3OCH3, CCl4-C6H6 и др.;



а

б

Рис. 8.5. Зависимость общего и парциальных давлений пара от состава:

а – для смесей с положительным отклонением от закона Рауля;

б – для смесей с отрицательным отклонением от закона Рауля.

парциальное давление растворов меньше давлений паров идеальных растворов. Общее давление пара меньше аддитивной величины. Такие отклонения называются отрицательными. Например, для смеси: H2O-HNO3; H2O-HCl; CHCl3-(CH3)2CO; CHCl3-C6H6 и т.д.

Положительные отклонения наблюдаются в растворах, у которых разнородные молекулы взаимодействуют с меньшей силой, чем однородные.

Это облегчает переход молекул из раствора в паровую фазу. Растворы с положительным отклонением образуются с поглощением теплоты, т.е. теплота смешения чистых компонентов будет положительной, происходит увеличение объема, уменьшение ассоциации.

Отрицательные отклонения от закона Рауля возникают в растворах, у которых происходит усиление взаимодействия разнородных молекул, сольватация, образование водородных связей, образование химических соединений. Это затрудняет переход молекул из раствора в газовую фазу.

Сущность разделения (разгонки) бинарных жидких растворов

Как можно разделить бинарную смесь на составляющие компоненты? Предложим, что смесь состоит из воды и ацетона в соотношении 1:1.

Для разделения смеси необходимо (рис. 8.6):

1. нагреть смесь до кипения с целью увеличения скорости испарения жидкости.

2. образовавшуюся паровую фазу сконденсировать.

Как меняется состав разделяющейся смеси и как изменяется состав конденсата в ходе кипячения?

 





Рис. 8.6 Перегонный аппарат: 1 – термометр; 2 – колба для перегонки;

3 – холодильник; 4 – приемник; 5 – дистиллят.

По мере кипения состав бинарной смеси во времени изменяется. Это связано с тем, что летучий компонент (ацетон), имея большее парциальное давление, в большей мере поступает в паровую фазу, а поэтому его содержание в жидкой фазе уменьшается.

Состав конденсата во времени также изменяется (рис. 8.7). В начальный период конденсат в своем составе содержит главным образом летучий компонент, затем его концентрация во времени постепенно понижается, одновременно растет концентрация высококипящего компонента. 

Если всю смесь превратить в пар и собрать в виде конденсата, то состав ее не изменится.

Чтобы разделить смесь, необходимо произвести отбор конденсата в определенный период, разделяя его по времени на несколько частей. Первая часть будет состоять, в основном, из летучего компонента, вторая – обогащенная летучим компонентом, последующие части будут содержать высококипящий компонент в большем количестве. Каждую часть вновь нагреть до кипения и конденсат собрать в различные отрезки времени. Проделав так несколько раз, можно получить отдельные компоненты исходной смеси.

Изменение состава жидкой и паровой фаз при различных температурах кипения можно показать на диаграмме температура кипения – состав жидкой и паровой фаз.

Рассмотрим диаграмму состояния для жидкого раствора в координатах температура кипения – состав (C6H6+C6H5CH3). Проследим за фракционной перегонкой раствора бензол – толуол (рис. 8.9).



Время

Рис. 8.7 Изменение состава жидкой фазы в перегонной колбе во времени.

Кривая в координатах температура кипения – состав дает возможность найти температуру кипения раствора при любой концентрации жидкой фазы. Например, температура кипения раствора, содержащего 32% (мольных) бензола, будет соответствовать 98 °С. Получившийся при этом пар будет состоять также из бензола и толуола, но их концентрации будут иными, чем в жидкой фазе.



Время

Рис. 8.8 Изменение состава дистиллята во времени.

Для определения состава паровой фазы по графику при любой температуре кипения смеси проводят изотерму. В точках пересечения кривых жидкости и пара опускают перпендикуляры и определяют состав паровой и жидкой фаз.



Рис. 8.9 Фракционная перегонка раствора бензол – толуол.

При температуре 98 °С концентрация бензола в парах будет равна 53%. Таким образом видно, что при кипении паровая фаза обогащается легкой фракцией (с 32% в жидкости до 53% в паре).

Если получившийся пар сконденсировать и снова нагреть до температуры кипения, то в паровой фазе бензола станет уже 80%. Таким образом, чередуя процессы испарения с конденсацией, можно разделить компоненты раствора. Этот принцип лежит в основе ректификации.

Ректификация – процесс одновременного испарения раствора и частичной конденсации паров, осуществляемый в одном аппарате – ректификационной колонне.

Разгонка жидкостей происходит самопроизвольно в процессе горения бензинов, нефти, представляющих собой сложные смеси углеводородов. Причем процесс разгонки идет только в верхнем слое горящей жидкости. При этом в большей степени выделяются в зону горения летучие фракции, состав жидкой фазы обогащается высококипящими компонентами. Процесс разделения может идти до образования коксовых остатков.

Азеотропные смеси. Второй закон Коновалова

Однако не все смеси можно разделить обычной ректификацией. Есть смеси, которые не разделяются при разгонке, например, не разделяются смеси состава: бензол (60%) – метанол (40%); спирт этиловый (96%) – вода (4%) и т.д.

Температуры кипения некоторых азеотропных смесей приведены в табл. 8.1. Эти смеси имеют постоянную точку кипения, которая может быть выше или ниже температуры кипения высококипящего и низкокипящего компонентов раствора. 

Коновалов Д.П. установил, что причиной невозможности разделения азеотропных смесей является совпадение состава жидкой и паровой фаз. 

Если взять смесь состава «С», имеющего азеотроп с минимумом температуры кипения (рис. 8.10), и начать нагревать, то в паровую фазу будет в основном переходить азеотроп, а жидкая фаза будет обогащаться компонентом А.

Если взять эту же смесь состава «К», то при нагревании вновь в паровую фазу будет в основном переходить азеотроп, жидкая фаза будет обогащаться компонентом В.

Таблица 8.1

Компоненты

смеси

Состав смеси, % масс.

Температура

кипения смеси, °С

Температура

кипения

компонента, °С

Бензол

Метанол

60

40

58,3

 80

65

Бензол

Этанол

68

32

68,2

 80

78

Толуол

Бутанол

32

68

105,5

 110

117

При нагревании раствора, имеющего азеотроп с максимумом температуры кипения жидкая фаза обогащается азеотропной смесью (высококипящая часть), а в паровую фазу в большей степени будет поступать компонент А или В в зависимости от состава исходной смеси. Если смесь имела состав «С», то отгоняться будет компонент А; если смесь имела исходный состав «Д», то отгоняться будет компонент «В».



Рис. 8.10 Азеотропная смесь с минимум температуры кипения.

При горении в условиях пожара азеотропные смеси должны вести себя аналогично индивидуальным жидкостям, так как они имеют постоянные температуры кипения. Однако скорости их выгорания могут быть выше или ниже скоростей выгорания наиболее легкокипящего (азеотроп с минимумом температуры кипения) или выше высококипящего компонента (азеотроп с максимумом температуры кипения).



Рис.8.10 Азеотропная смесь с максимумом температуры кипения.

Список литературы

Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 58-60.

Елисеев С.Ю. Бинарные жидкие системы. Учебно-методическое пособие. – Мн.: КИИ МЧС РБ, 2004. – С. 28.