Równowagi fazowe w układach dwuskładnikowych

Podstawy chemii fizycznej
Lista 7 - Równowagi fazowe w układach dwuskładnikowych – stała temperatura
1. Heksan i oktan tworza˛ roztwór doskonały w całym zakresie st˛eżeń. Obliczyć skład roztworu, który
b˛edzie wrzał pod normalnym ciśnieniem w temperaturze 373 K, jeżeli pr˛eżności pary nasyconej heksanu i
oktanu w tej temperaturze wynosza˛ odpowiednio 2.448 · 105 Pa i 4.720 · 104 Pa. Jaki jest skład pary, która
w tych warunkach pozostaje w równowadze z ciecza?
˛ Pod jakimi ciśnieniami w układzie znajdowałaby si˛e
tylko para?
2. Czastkowe
˛
ciśnienia par acetonu (A) i chloroformu (C), zmierzone nad roztworami o różnych st˛eżeniach
w temperaturze 35 ◦C, wynosza:
˛
xC
0
0.10 0.20 0.40 0.60 0.80 0.90 1.0
pC [Tr] 0
18
35
82 142 219 263 293
pA [Tr] 347 312 270 185 102 37
19
0
Sporzadzić
˛
wykres fazowy i sprawdzić, czy składnik wyst˛epujacy
˛ w roztworze w dużym nadmiarze
spełnia prawo Raoulta, a składnik wyst˛epujacy
˛ w małym st˛eżeniu – prawo Henry’ego. Obliczyć stałe
Henry’ego.
3. Substancje A i B tworza˛ w fazie ciekłej roztwór rzeczywisty. Pr˛eżności par nasyconych nad czystymi
substancjami sa˛ równe p0A = 20.0 kPa i p0B = 30.0 kPa. Całkowita pr˛eżność pary nad roztworem, w
którym ułamek molowy A jest równy 0.35, wynosi 32.5 kPa. Współczynnik aktywności substancji B w
tym roztworze wynosi 1.18. Obliczyć współczynnik aktywności substancji A.
4. CO2 w roztworze wodnym spełnia prawo Henry’ego. Stała Henry’ego w 5◦C jest równa 9.022 · 107 Pa.
Zbiornik o obj˛etości 10.5 dm3 wypełniono CO2 pod ciśnieniem 1 atm, a nast˛epnie do połowy obj˛etości
napełniono woda˛ (nie usuwajac
˛ CO2 ). Jakie ciśnienie CO2 ustali si˛e w zbiorniku w stanie równowagi
(t = 5◦C)?
kJ
5. Ciecze A i B tworza˛ roztwory prawidłowe. W temperaturze 350 K ich entalpia mieszania wynosi 3.29 mol
,
a pr˛eżności par odpowiednio 68.2 kPa i 90.4 kPa. Naszkicować wykres fazowy we współrz˛ednych p(x) dla
temperatury 350 K. Czy w układzie mamy do czynienia z azeotropia?
˛ Jeśli tak, to podać przybliżony skład
azeotropu.
Lista 8 - Równowagi fazowe w układach dwuskładnikowych – stałe ciśnienie
1. Cykloheksan i n-heptan tworza˛ roztwory doskonałe. Temperatury wrzenia pod ciśnieniem równym p0
kJ
kJ
i 31.69 mol
. Obliczyć skład pary
wynosza˛ odpowiednio 353.8 K i 371.5 K, zaś ciepła parowania 30.08 mol
pozostajacej,
˛
pod ciśnieniem standardowym, w równowadze z roztworem zawierajacym
˛
20% molowych
cykloheksanu. Założyć, że ciepła parowania nie zależa˛ od temperatury.
2. Woda i bifenyl prawie nie rozpuszczaja˛ si˛e wzajemnie. Bifenyl w temperaturze pokojowej jest ciałem
kJ
stałym, topi si˛e 341.3 K, wrze w 528 K, a jego entalpia parowania wynosi 47.95 mol
. W jakiej temperaturze
wrze mieszanina wody i bifenylu pod ciśnieniem standardowym? Ile pary wodnej potrzeba do oddestylowania 10 g bifenylu? Temperatur˛e wrzenia i ciepło parowania wody odczytać z tablicy 11.3.
3. Krzem i german rozpuszczaja˛ si˛e w sobie bez ograniczeń w fazie stałej i ciekłej, tworzac
˛ przy tym
roztwory doskonałe. Temperatury topnienia wynosza˛ odpowiednio 1703K (Si) i 1210K(Ge), zaś ciepła
kJ
. Znaleźć skład stopu krzemu i germanu, który zaczyna si˛e topić w temperaturze
topnienia - 46.44 i 33.89 mol
1450K. Jaki jest skład pierwszej porcji cieczy?
4. Kamfora i kwas octowy nie tworza˛ kryształów mieszanych, natomiast wykazuja˛ całkowita˛ mieszalność
w fazie ciekłej. Zakładajac,
˛ że roztwory te sa˛ doskonałe, obliczyć rozpuszczalność kamfory w kwasie
octowym w temperaturze 325 K. Temperatura topnienia kamfory wynosi 451.6 K, a ciepło topnienia 6.82
kJ
mol . Odpowiednie wartości dla kwasu octowego odczytać z tablic. Naszkicować wykres fazowy układu
kamfora - kwas octowy i znaleźć (graficznie) przybliżone współrz˛edne punktu eutektycznego.
5. Opisać wykresy fazowe (p=const). Przygotować si˛e do omawiania przebiegu ostygania lub ogrzewania
układów o różnych składach.
T
X
Lista 9 - Równowagi fazowe w układach dwuskładnikowych – ebuliometria, krioskopia,
ciśnienie osmotyczne
1. Benzen i antracen nie tworza˛ kryształów mieszanych, zaś ich roztwór można w przybliżeniu uważać
za dokonały. Obliczyć, za pomoca˛ równania van Laara - Hildebranda oraz wzorów ebuliometrycznego i
krioskopowego, temperatury wrzenia i krzepni˛ecia roztworów antracenu w benzenie, gdy ułamek molowy
antracenu wynosi 0.001 i 0.065. Pod jakimi ciśnieniami roztwory te pozostawałyby w równowadze osmotycznej z czystym benzenem, znajdujacym
˛
si˛e pod ciśnieniem standardowym, w temperaturze 300 K? Dla
kJ
0
0 =9.837 kJ . Założyć, że ułamek molowy
benzenu Twrz=353.25 K, ∆H par =30.76 mol , Ttop =278.68 K, ∆Htop
mol
antracenu w parze jest zaniedbywalnie mały.
2. W 98.37 g czystej wody rozpuszczono 0.2879 g mieszaniny glukozy i sacharozy. Otrzymany roztwór
krzepł w temperaturze −0.021◦C. Obliczyć skład mieszaniny cukrów. Stała krioskopowa wody wynosi
1.86 K·kg
mol .
3. Obliczyć temperatur˛e wrzenia zupy zawierajacej
˛ 1 g soli kuchennej w 1 dm3 . Ciepło parowania wody
g
kJ
wynosi 40.66 mol
, a masy molowe odpowiednio MH2 O =18.015 i MNaCl =58.443 mol
. Przyjać,
˛ że g˛estość zupy
wynosi 1 cmg 3 , współczynnik osmotyczny jest równy 1, a wpływ pozostałych zwiazków
˛
zawartych w zupie
na temperatur˛e wrzenia - zaniedbywalny.
4. Obliczyć mas˛e molowa˛ stałego zwiazku
˛
organicznego, który rozpuszczony w ilości 5.47 g w 100 g benzenu podwyższa jego temperatur˛e wrzenia o 1.100◦C. Znaleźć wzgl˛edne obniżenie pr˛eżności pary benzenu
nad tym roztworem oraz jego ciśnienie osmotyczne w temp. 293 K. G˛estość roztworu w tej temperaturze
wynosi 0.8989 cmg 3 , pr˛eżność pary benzenu nad czystym benzenem 6.126 kPa. Ciepło parowania benzenu
kJ
w temperaturze wrzenia (353.2 K) wynosi 30.76 mol
.
g ∆p
5
Odp: M = 131.0 mol , p = 0.032, Π = 8.51 · 10 Pa.
5. Ciśnienie osmotyczne roztworu polistyrenu w toluenie w temperaturze 25oC mierzono jako wysokość
słupa cieczy o g˛estości 0.8647 cmg 3 . Obliczyć mas˛e molowa˛ polimeru.
h i
g
c dm
2.042 6.613 9.521 12.602
3
h[cm]
0.592 1.910 2.750
3.600