گزارش کار شیمی فیزیک-تعادل مایع – مایع در سیستم های دو جزئی

موضوع آزمایش :

تعادل مایع – مایع در سیستم های دو جزئی

هدف آزمایش :

رسم نمودار حلالیت سیستم دوجزئی و تعیین درجه حرارت بحرانی محلول

 

تئوری آزمایش :

قانون فاز گیبس (Gibbs Phase Rule) اولین بار توسط گیبس ارائه شد و توسط روزبوم کاربرد عمومی پیدا کرد. قانون فاز شرایط تعادل را به صورت رابطه ای بین تعداد فاز ها و اجزای یک سیستم تعریف می کند:

در این رابطه F درجه آزادی، C تعداد اجزا و P تعدا فاز هاست. هر سیستم دارای تعداد مشخصی متغیر مستقل است که برای تعریف سیستم باید هر کدام از این متغیر ها مقادیر معینی داشته باشند

درجات  آزادی و متغیرهای آن

متغییر F تعداد متغییرهای مستق یک سیستم است که با تغییر آنها حالت تعادل سیستم و تعداد فازهای در تعادل برهم نخورد. در یک سیستم تک جزئی تک فاز (P=1, C=1) هر دو متغییر فشار و دما می توانند بطور مستقل تغییر یابند، بدون اینکه هیچ تغییری در تعداد فازهای در حال تعادل سیستم حاصل شود:

F=2 ، سیستم دومتغییره است و به عبارت دیگر دارای دو درجه آزادی است.

اگر سیستم تک جزئی با دو فاز در تعادل(C=1, P=2)  (برای مثال تعادل فاز مایع با بخار آن)، دما (یا فشار) می تواند تغییر کند، بدیهی است که بایستی یک وابستگی با تغییرات فشار (یا دما) وجود داشته باشد تا تعادل فازی ایجاد شود:

F=1 سیستم دارای درجه آزادی یک می باشد.

اگر در یک سیستم تک جزئی با سه فاز در حال تعادل باشد (C=1, P=3) (مثل تعادل فازهای جامد، مایع، بخار) هیچ کدام از متغییرهای دما یا فشار نمی توانند بطور مستقل تغییر یابند و در صورت تغییر آنها، مطمئناً حالت تعادل برهم خواهد خورد.

F=0 سیستم هیچ درجه آزادی ندارد                 

قانون فاز

پروفسور گیبس ثابت کرده است که اگر C تعداد اجزاء سیستم و P تعداد فازهای در تعادل برای یک سیستم باشد، در هر ترکیب دلخواه خواهیم داشت:

F = C - P + 2

1- تعداد متغییرهای مستقل را شمرده (فشار و دما 2 به حساب می آیند)

2- ترکیب فاز را بوسیله جزء مولی اجزاء C-1   ( به C-1 نیاز داریم نه C، چرا که جمع تمام جزء مولی ها =1 بشود، در اینصورت اگر تمام اجزاء بجز یک کسر مولی مشخص نباشد قابل محاسبه خواهد بود)

3- از انجائیکه P فاز وجود دارد، تعداد کل حالتها ترکیبی P(C-1) خواهد بود و تعداد کل معادلات موجود برای متغییرهای سیستم برابر خواهد بود با:

P(C - 1) + 2

4- در هنگام تعادل، پتانسیل شیمیایی J باید در تمامی فازها برابر باشد:

μ_Jα= μ_Jβ = .... فاز  Pبرای

P-1 معادله از این نوع برای هر جزء J وجود دارد. اگر C جزء باشد تعداد معادله برابر خواهد بود :

 C(P - 1)

5-  هر معادله، آزادی ما را به اندازه P(C - 1) + 2  کاهش می دهد بنابراین تعداد درجات آزادی ما برابر خواهد بود با:

F = P(C - 1) + 2 - C (P - 1) = C - P + 2

مثالی برای اثبات درستی قانون گیبس :

فاز دیاگرام برای سیستم های چند جزئی بسیار مفید می باشد، و برای بیان تعادل شیمیایی و فیزیکی در محدوده ترکیبات مختلف اجزاء بکار می‌رود. برای یک سیتم یک جزئی، خواهیم داشت: F = 3 – P   اگر یک فاز موجود باشد، F=2 و فشار و دما می‌توانند بدون تغییر دادن تعداد فازها تغییر کنند (تک فاز یک محدوده بروی دیاگرام فاز می باشد) اگر دو فاز در تعادل باشد، F=1 اگر بر حسب دما بررسی کنیم آنگاه دیگر فشار یک متغییر مستقل نخواهد بود اگر سه فاز در تعادل باشد، F=0 و سیستم نامتغییر است – بنابراین این حالت فقط در یک دما و فشار خاصی وجود خواهد داشت چهار فاز در یک سیستم تک جزئی نمی توانند در تعادل با هم قرار گیرند چرا که F نمی تواند منفی باشد.

مواد لازم : ایزوبوتان  و آب مقطر

وسایل لازم : بورت ، لوله آزمایش بزرگ ، بشر 100 ، همزن ، دماسنج

روش آزمایش :

در یک لوله آزمایش کاملا خشک و تمییز ٢ میلی لیتر ایزوبوتان ریخته و به آن ١ سی سی آب مقطر افزوده و آنرا در یک حمام

آب گرم قرار داده و ضمن حرارت دادن هم می زنیم تا محلول کاملا شفافی حاصل شود. آنگاه لوله آزمایش را از

حمام خارج کرده و خشک کرده و جلد هوا قرار می دهیم و ضمن هم زدن دمای کدر شدن محلول داخل لوله

آزمایش را یادداشت می نماییم. به همین لوله آزمایش طی ١٠ مرحله و هر بار اضافه کردن ١ سی سی آب

مقطر عینا تکرار می نماییم.

جدول محاسبات :

T (C)	X,H2O=1-X,isobutane	X,isobutane= N,isobutene/n,phenol +n,h2o	N,Isobutane =m,isobutane /M,isobutane	N,h2o =   mh2o/Mh2O	Vh2o (ml)
54	0.6716	0.3284	0.0269	0.055	1
68	0.805	0.1950	0.269	0.111	2
69	0.8606	0.1394	0.0269	0.166	3
70	0.892	0.1080	0.0269	0.222	4
66	0.115	0.0885	0.0269	0.277	5
62	0.253	0.0747	0.0269	0.333	6
60	0.352	0.0648	0.0269	0.388	7
58	0.429	0.0571	0.0269	0.444	8
50	0.49	0.510	0.0269	0.5	9
48	0.538	0.462	0.0269	0.555	10

سپس با استفاده از داده ها و نرم افزار اکسل نمودار را رسم میکنیم که در اینجا امکان قرار دادن نمودار وجود نداشت.