Как влияет на взаимную растворимость двух жидкостей введение в систему третьего компонента кратко

Обновлено: 08.07.2024

Если привести в соприкосновение две какие-либо жидкости, то в зависимости от их природы можно наблюдать следующие типы растворов:

1. Жидкости вполне смешиваются друг с другом при любых температурах, давая однородный раствор.

2. Жидкости сложной молекулярной структуры только частично растворяются друг в друге.

Такие растворы распадаются на две фазы, различные по своим физическим свойствам. Каждая из фаз представляет собой насыщенный раствор одного из компонентов в другом.

Примерами таких растворов могут служить жидкие растворы: вода — фенол, метиловый спирт — гексан и т. д.

Гетерогенная система, состоящая из двух фаз: раствора воды в феноле (более тяжелая фаза) и раствора фенола в воде, — может находиться в равновесии. С повышением температуры концентрации обеих фаз постепенно сближаются и при температуре 68,442 становятся равными, т. е. жидкая смесь из двухфазной становится однофазной. Наивысшая температура, при которой двухфазная система переходит в однофазную систему (жидкости взаимно растворяются во всех отношениях), называется верхней критической температурой растворения.

При критическом переходе двухфазной системы в однофазную теплота не поглощается.

Двухфазная система жидких растворов воды и фенола представлена графически на рисунке 45.

Опыт показывает, что для некоторых двухфазных жидких систем исчезновение двух фаз происходит при понижении температуры. Так, для системы триэтиламин — вода это происходит примерно при Наинизшая температура, при которой двухфазная система переходит в однофазную с понижением температуры, называется нижней критической температурой растворения.

Для некоторых водных растворов (например, никотина) наблюдается как верхняя (210°С), так и нижняя критические температуры растворения.

Кривая растворимости подобных веществ, приведенная на рисунке 46, имеет форму овала.

Неполная растворимость жидких смесей и распадение их на слои с различными удельными весами имеют важное промышленное применение, например в доменном производстве при отделении чугуна от шлака. При этом верхний слой — шлак, имеющий меньший удельный вес и представляющий пустую силикатную породу, находится выше нижнего металлического слоя — чугуна, более тяжелого, и поэтому легко удаляется.

Взаимная растворимость жидкостей при Р const зависит только от температуры ( / уел. Рассмотрим наиболее распространенный случай - повышение растворимости с температурой ( рис. 103), что обусловлено положительными величинами дифференциальной теплоты растворения жидкостей. Кривая аК выражает растворимость второй жидкости в первой; кривая ЬК - растворимость первой жидкости во второй. Таким образом, кривая аКЬ делит всю диаграмму на две части: область, расположенная под этой кривой, отвечает расслоению, область над ней - гомогенным системам. [2]

Взаимная растворимость жидкостей существенно зависит от присутствия третьего компонента, часто сильно влияющего на критическую температуру растворения. Если третий компонент растворим в обоих слоях, то взаимная растворимость жидкостей в двухслойной жидкой системе растет вплоть до полного смешения. Так, анилин с водой неограниченно смешивается при всех температурах, если в системе в достаточном количестве присутствует Lil. В том случае, когда третий компонент растворим лишь в одной из жидкостей, образующих смесь, растворимость жидкостей друг в друге обычно уменьшается, а следовательно, критическая температура растет. [3]

Взаимная растворимость жидкостей существенно изменяется с изменением внешних условий. Повышение температуры во многих случаях увеличивает взаимную растворимость обоих компонентов. Температура, выше которой жидкости растворяются друг в друге в любых отношениях, была названа В. Ф. Алексеевым верхней критической температурой растворения. В системе вода - анилин она равна 168 С. [5]

Взаимная растворимость жидкостей может существенно изменяться при введении в систему третьего компонента, часто сильно влияющего на критическую температуру растворения. Если третий компонент растворим в обоих слоях, то взаимная растворимость жидкостей в двухслойной системе растет вплоть до полного смешения. Так, анилин с водой смешиваются в любых соотношениях при любой температуре, если в системе в достаточном количестве присутствует Lil. В том случае, когда третий компонент растворим лишь в одной из жидкостей, образующих смесь, растворимость их друг в друге обычно уменьшает-ся. [6]

Взаимная растворимость жидкостей в значительной степени зависит от присутствия третьего компонента, который может оказывать существенное влияние на критическую температуру растворения. Например, тот же самый анилин может неограниченно смешиваться с водой при всех температурах, если в растворе присутствует достаточное количество Lil. Объясняется это тем, что Lil в одинаковой мере хорошо растворим как в анилине, так и в воде. Если же третий компонент хорошо растворим только в одной из жидкостей, взаимная растворимость обеих жидкостей в присутствии этого компонента уменьшается, а следовательно, увеличивается критическая температура растворения. [8]

Взаимная растворимость жидкостей с повышением температуры обычно увеличивается. Растворимость большинства твердых веществ в воде с повышением температуры растет. Но изменяется растворимость различных твердых веществ с изменением температуры по-разному. Поэтому влияние температуры на растворимость твердых веществ выражают обычно в виде графиков для каждого отдельного вещества. [9]

Взаимная растворимость жидкостей зависит от их составов и температуры. Как правило, с увеличением температуры взаимная растворимость жидкостей возрастает. [11]

Взаимная растворимость жидкостей очень различна. Например, спирт и вода смешиваются в любых соотношениях; вода и бензин практически не смешиваются друг с другом. [12]

Взаимная растворимость жидкостей изменяется с температурой, увеличиваясь, как правило, с повышением температуры. [14]

Взаимная растворимость жидкостей в тройных системах, как и в двойных, зависит от температуры. Для большинства систем с повышением температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается, однако встречаются и системы, в которых растворимость уменьшается при повышении температуры. [15]

При смешивании жидкостей в зависимости от их природы, характера и силы взаимодействия между молекулами возможны 3 случая: 1) неограниченная растворимость; 2) ограниченная растворимость; 3) практическая нерастворимость.

В первом случае жидкости смешиваются друг с другом в любых соотношениях с образованием однородного раствора (вода и глицерин, вода и этиловый спирт, бензол и толуол).

При ограниченной растворимости обе жидкости растворяются друг в друге достаточно хорошо, но их взаимная растворимость не безгранична и достигает при данных условиях какого-то определенного предела. Примером таких систем являются вода и фенол, вода и анилин, диэтиловый эфир и вода.

При смешивании анилина с водой образуется 2 слоя. В верхнем слое содержится больше воды и меньше анилина, а в нижнем слое – наоборот. Таким образом, верхний слой можно рассматривать как насыщенный раствор анилина в Н₂О, а нижний – воды в анилине. При постоянной температуре эти слои будут находиться в состоянии равновесия и концентрация растворенных веществ в них будет оставаться строго определенной. Добавление к этой смеси некоторого количества анилина или воды приведет только к увеличению объема нижнего или верхнего слоя, но концентрации растворенных веществ в них не изменяются.

Повышение температуры обычно вызывает увеличение взаимной растворимости жидкостей. В некоторых случаях это может привести к неограниченной растворимости, и жидкости будут смешиваться друг с другом при данных условиях в любых соотношениях.

Температура, выше которой оба компонента начинают неограниченно растворяться друг в друге, называется критической температурой растворения. Для смеси анилин – вода она равна 168 о С, для смеси фенол – вода – 65,9 о С.

Примером практически нерастворимых друг в друге жидкостей является вода и бензол, вода и ртуть. При смешивании эти системы разделяются на 2 слоя. Весьма вероятно, что в каждом слое в незначительном количестве будет присутствовать и другая жидкость (т.к. абсолютно нерастворимых веществ нет). Но ее концентрация будет настолько мала, что ею можно пренебречь.

Если в такую двухслойную систему, состоящую из двух практически не смешивающихся жидкостей, внести небольшое количество какого-нибудь третьего вещества, то через некоторое время оно распределится между двумя слоями.

Например, если в систему вода – сероуглерод (CS₂) поместить навеску I₂ и смесь тщательно перемешать, то йод можно будут обнаружить и в водном и в сероуглеродном слоях. Однако концентрация I₂ в СS₂ будет значительно выше чем в Н₂О. При введении дополнительного количества I₂ изменится концентрация его в каждом слое, но отношение концентраций при данной температуре сохраняется постоянным. Оно также не изменится если прибавить к полученной трехкомпонентной системе сероуглерод или воду.

Таким образом при постоянной температуре отношение равновесных концентраций растворенного вещества, распределившегося между двумя несмешивающимися жидкостями, является величиной постоянной, независящей от общего количества компонентов. Эта закономерность называется иначе законом распределения Нернста. Математически он записывается следующим образом:

где С₁ и С₂ – концентрации растворенного вещества в первом и втором растворителе соответственно; K – коэффициент распределения.

При смешивании жидкостей в зависимости от их природы, характера и силы взаимодействия между молекулами возможны 3 случая: 1) неограниченная растворимость; 2) ограниченная растворимость; 3) практическая нерастворимость.

В первом случае жидкости смешиваются друг с другом в любых соотношениях с образованием однородного раствора (вода и глицерин, вода и этиловый спирт, бензол и толуол).

При ограниченной растворимости обе жидкости растворяются друг в друге достаточно хорошо, но их взаимная растворимость не безгранична и достигает при данных условиях какого-то определенного предела. Примером таких систем являются вода и фенол, вода и анилин, диэтиловый эфир и вода.

При смешивании анилина с водой образуется 2 слоя. В верхнем слое содержится больше воды и меньше анилина, а в нижнем слое – наоборот. Таким образом, верхний слой можно рассматривать как насыщенный раствор анилина в Н₂О, а нижний – воды в анилине. При постоянной температуре эти слои будут находиться в состоянии равновесия и концентрация растворенных веществ в них будет оставаться строго определенной. Добавление к этой смеси некоторого количества анилина или воды приведет только к увеличению объема нижнего или верхнего слоя, но концентрации растворенных веществ в них не изменяются.

Повышение температуры обычно вызывает увеличение взаимной растворимости жидкостей. В некоторых случаях это может привести к неограниченной растворимости, и жидкости будут смешиваться друг с другом при данных условиях в любых соотношениях.

Температура, выше которой оба компонента начинают неограниченно растворяться друг в друге, называется критической температурой растворения. Для смеси анилин – вода она равна 168 о С, для смеси фенол – вода – 65,9 о С.

Примером практически нерастворимых друг в друге жидкостей является вода и бензол, вода и ртуть. При смешивании эти системы разделяются на 2 слоя. Весьма вероятно, что в каждом слое в незначительном количестве будет присутствовать и другая жидкость (т.к. абсолютно нерастворимых веществ нет). Но ее концентрация будет настолько мала, что ею можно пренебречь.

Если в такую двухслойную систему, состоящую из двух практически не смешивающихся жидкостей, внести небольшое количество какого-нибудь третьего вещества, то через некоторое время оно распределится между двумя слоями.

Например, если в систему вода – сероуглерод (CS₂) поместить навеску I₂ и смесь тщательно перемешать, то йод можно будут обнаружить и в водном и в сероуглеродном слоях. Однако концентрация I₂ в СS₂ будет значительно выше чем в Н₂О. При введении дополнительного количества I₂ изменится концентрация его в каждом слое, но отношение концентраций при данной температуре сохраняется постоянным. Оно также не изменится если прибавить к полученной трехкомпонентной системе сероуглерод или воду.

Таким образом при постоянной температуре отношение равновесных концентраций растворенного вещества, распределившегося между двумя несмешивающимися жидкостями, является величиной постоянной, независящей от общего количества компонентов. Эта закономерность называется иначе законом распределения Нернста. Математически он записывается следующим образом:

где С₁ и С₂ – концентрации растворенного вещества в первом и втором растворителе соответственно; K – коэффициент распределения.

( доц., д.х.н. А.В. Румянцев)

2.4.1. Взаимная растворимость двух жидкостей

В данном подразделе приводятся данные по взаимной растворимости ограниченного круга жидкостей, имеющих значение либо для технологии, либо для научных исследований. Представлены только двухкомпонентные системы, образованные главным образом водой (а также серой, диоксидом серы, анилином, метанолом и фенолом) и теми или иными органическими веществами.

Состав несмешивающихся слоев жидкостей везде выражен в масс . % (w). При необходимости пересчет в молярные доли (x) может быть осуществлен по формулам:

Графически взаимную растворимость жидкостей изображают в виде диаграмм растворимости (рис. 2.4.1) в координатах состав — температура, являющихся фрагментами диаграмм состояния ( фазовых диаграмм). На диаграммах растворимости двухкомпонентных жидких смесей с ограниченной растворимостью присутствуют две ветви, называемые ветвями бинодали, между которыми находится область расслаивания. Иногда составы сосуществующих жидких фаз соединяют прямыми линиями, называемыми нодами ( конодами).

Часто при повышении температуры взаимная растворимость возрастает, и, начиная с какого-то момента,

Рис. 2.4.1. Диаграмма растворимости жидкой бинарной системы A – B. 1 — области гомогенных растворов;
2 — область расслаивания; 3 — ветви бинодали; 4 — ноды

жидкости могут начать неограниченно смешиваться друг с другом с образованием гомогенного раствора. В этом случае в системе имеется верхняя критическая точка — место смыкания ветвей бинодали (см., например, рис. 2.4.4 . в табл. 2.4.1, поз. 97). Верхняя критическая точка может и не реализовываться при обычном давлении, если раньше достигаются температуры кипения растворов (при этом возможно, но не обязательно, образование гетероазеотропа). Иногда в этих случаях верхняя критическая точка все же может быть достигнута при повышенных давлениях (ее определение, как правило, проводят в замкнутом объеме — при давлении насыщенного пара компонентов системы). Заметно реже встречаются системы с нижней критической точкой (рис. 2.4.3) или с двумя критическими точками (рис. 2.4.2).

В приведенных табл. 2.4.1–2.4.2 критические точки выделены курсивом. Значения, соответствующие нижней или верхней точке, подчеркнуты снизу или сверху соответственно. Компоненты систем расположены в алфавитном порядке их общеупотребительных названий; для удобства поиска таблицу предваряет Указатель эмпирических формул . Сведения о некоторых неорганических системах с ограниченной взаимной растворимостью (Br₂ — H₂O, Cl₂ — H₂O, I₂ — H₂O), сведения о взаимной растворимости сжиженных газов и растворимости предельных жирных кислот C₆–C₁₄ в воде также приводятся в этом разделе.

Взаимная растворимость двух жидкостей

Системы, содержащие воду (H₂O)

Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.
Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.

Системы, содержащие серу (S_n)

Системы, содержащие диоксид серы (SO₂)

Системы, содержащие метанол (CH₃OH)

Системы, содержащие фенол (C₆H₅OH)

2.4.2. Распределение веществ между двумя жидкими фазами

Если a > 1, то при равных объемах несмешивающихся жидких фаз (слоев) распределенный компонент будет находиться преимущественно в слое I (который в этом случае называют экстрактом), слой II будет обеднен распределенным компонентом (и будет носить название рафинат); при a реакцией с растворителем), то независимым от концентрации будет термодинамический коэффициент распределения, a °:

где a (i) и g (i) – соответственно активность и коэффициент активности распределенного компонента в слое i.

Если при растворении распределенный компонент претерпевает обратимое химическое изменение (включая ассоциацию или диссоциацию) в одной или обеих жидких фазах, то данные по его распределению могут быть использованы для расчета констант соответствующих равновесий; при этом постулируется, что через границу раздела фаз проходят только неассоциированные и недиссоциированные молекулы. Так, ниже в таблицах приведены значения величин P и K_a для ряда органических одноосновных кислот, которые диссоциируют в воде и ассоциированы в органических жидкостях. Соответственно P есть отношение равновесной концентрации неассоциированных молекул кислоты в органической жидкости к концентрации их в воде, а K_a — константа ассоциации кислоты в органической жидкости. Эти значения вычислены из системы уравнений, составленных для нескольких концентраций:

где a _w есть степень диссоциации кислоты в воде. Если P и K_a оказываются постоянными в пределах ошибок эксперимента, то приводятся их средние значения. Расчеты подобного типа затруднены тем обстоятельством, что любая из жидких фаз всегда содержит все три компонента системы, поэтому использование обычно хорошо известной константы диссоциации органической кислоты в воде для описания ее диссоциации в водном слое не совсем корректно. Кроме того, для точных расчетов нужны обычно недоступные коэффициенты активности всех форм распределенного компонента в обеих жидких фазах.

В большинстве случаев данные по распределению приведены при какой-то одной температуре. Зависимость коэффициента распределения от температуры обычно невелика (см., например, систему 8/2), однако при изменении температуры может сильно изменяться взаимная растворимость основных компонентов системы, образующих жидкие фазы Таблица 2.4.1. Небольшие же изменения давления практически не влияют на свойства конденсированных фаз, в том числе и на коэффициенты распределения.

В зависимости от природы жидкости могут смешиваться в любых соотношениях (в этом случае говорят о неограниченной взаимной растворимости), быть практически нерастворимыми друг в друге либо обладать ограниченной растворимостью. Рассмотрим последний случай на примере системы анилин – вода. Если смешать примерно равные количества воды и анилина, система будет состоять из двух слоев жидкости; верхний слой – раствор анилина в воде, нижний – раствор воды в анилине. Для каждой температуры оба раствора имеют строго определенный равновесный состав, не зависящий от количества каждого из компонентов.

Рис. 3.1 Диаграмма растворимости системы анилин – вода

Зависимость концентрации растворов от температуры принято изображать графически с помощью диаграммы взаимной растворимости. Эта диаграмма для системы анилин-вода приведена на рис. 3.1. Область под кривой – это область расслаивания жидкостей. Повышение температуры приводит к увеличению концентрации каждого из растворов (увеличению взаимной растворимости), и при некоторой температуре, называемой критической температурой расслоения (Т_кр на рис. 3.1) взаимная растворимость воды и анилина становится неограниченной. Система анилин – вода относится к т.н. системам с верхней критической температурой расслоения; существуют также и системы, для которых повышение температуры приводит к уменьшению взаимной растворимости компонентов.

3.1.4 Растворимость твердых веществ в жидкостях

Растворимость твердых веществ в жидкостях определяется природой веществ и, как правило, существенно зависит от температуры; сведения о растворимости твердых тел целиком основаны на опытных данных. Качественным обобщением экспериментальных данных по растворимости является принцип "подобное в подобном": полярные растворители хорошо растворяют полярные вещества и плохо – неполярные, и наоборот.

Рис. 3.2 Кривые растворимости некоторых солей в воде.
1 – КNО₃, 2 – Nа₂SО₄·10Н₂О, 3 – Nа₂SО₄, 4 – Ва(NО₃)₂
Зависимость растворимости S от температуры обычно изображают графически в виде кривых растворимости (рис. 3.2). Поскольку теплота растворения твердых веществ в жидкостях может быть как положительной, так и отрицательной, растворимость при увеличении температуры может увеличиваться либо уменьшаться (согласно принципу Ле Шателье – Брауна).

3.2 РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

3.2.1 Давление насыщенного пара разбавленных растворов

Представим, что в равновесную систему жидкость А – пар введено некоторое вещество В. При образовании раствора мольная доля растворителя X_А становится меньше единицы; равновесие в соответствии с принципом Ле Шателье – Брауна смещается в сторону конденсации вещества А, т.е. в сторону уменьшения давления насыщенного пара Р_А. Очевидно, что, чем меньше мольная доля компонента А в растворе, тем меньше парциальное давление его насыщенных паров над раствором. Для некоторых растворов выполняется следующая закономерность, называемая первым законом Рауля:

Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причем коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

(III.10)

Поскольку сумма мольных долей всех компонентов раствора равна единице, для бинарного раствора, состоящего из компонентов А и В легко получить следующее соотношение, также являющееся формулировкой первого закона Рауля:

(III.11)

Относительное понижение давления пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества и не зависит от природы растворенного вещества.

Растворы, для которых выполняется закон Рауля, называют идеальными растворами. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых близки по физическим и химическим свойствам (оптические изомеры, гомологи и т.п.) и образование которых не сопровождается объёмными и тепловыми эффектами. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействия между однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором. Растворы, компоненты которых существенно различаются по физическим и химическим свойствам, подчиняются закону Рауля лишь в области бесконечно малых концентраций.

3.2.2 Давление пара идеальных и реальных растворов

Если компоненты бинарного (состоящего из двух компонентов) раствора летучи, то пар над раствором будет содержать оба компонента (относительное содержание компонентов в парах будет, как правило, отличаться от содержания их в растворе – пар относительно богаче компонентом, температура кипения которого ниже). Рассмотрим бинарный раствор, состоящий из компонентов А и В, неограниченно растворимых друг в друге. Общее давление пара, согласно первому закону Рауля, равно

(III.12)

Таким образом, для идеальных бинарных растворов зависимость общего и парциального давления насыщенного пара от состава раствора, выраженного в мольных долях компонента В, является линейной при любых концентрациях (рис.3.3). К таким системам относятся, например, системы бензол – толуол, гексан – гептан, смеси изомерных углеводородов и др.

Рис. 3.3 Зависимость парциальных и общего давлений пара идеального раствора от концентрации

Для реальных растворов данные зависимости являются криволинейными. Если молекулы данного компонента взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами другого компонента, то истинные парциальные давления паров над смесью будут больше, чем вычисленные по первому закону Рауля (положительные отклонения). Если же однородные частицы взаимодействуют друг с другом слабее, чем разнородные, парциальные давления паров компонентов будут меньше вычисленных (отрицательные отклонения). Реальные растворы с положительными отклонениями давления пара образуются из чистых компонентов с поглощением теплоты (ΔН_раств > 0), растворы с отрицательными отклонениями образуются с выделением теплоты (ΔН_раств < 0).

Рис. 3.4 Зависимость парциальных и общего давлений пара идеальных (штриховая линия) и реальных (сплошная линия) бинарных растворов от состава при положительных (слева) и отрицательных (справа) отклонениях от закона Рауля.

Читайте также:

  
• От чего зависит способность человека воспринимать чувствовать красоту и силу музыки 6 класс кратко
  
• Анализ стихотворения красною кистью рябина зажглась цветаева по плану кратко
  
• Круглый стол как форма методической работы в доу
  
• Почему геродота можно назвать первым географом 5 класс география кратко
  
• Анализ примерных программ по организации игровой деятельности в доу