Tabela nasičenega parnega tlaka etilnega alkohola. Aceton: formula, lastnosti, uporaba

V praksi se pogosto uporabljajo številne raztopine, sestavljene iz dveh ali več tekočin, ki so dobro topne druga v drugi. Najenostavnejše so zmesi (raztopine), sestavljene iz dveh tekočin - binarne zmesi. Vzorci, najdeni za takšne mešanice, se lahko uporabijo za bolj zapletene. Take binarne mešanice vključujejo: benzen-toluen, alkohol-eter, aceton-voda, alkohol-voda itd. V tem primeru sta obe komponenti vsebovani v parni fazi. Nasičeni parni tlak zmesi bo vsota parcialnih tlakov komponent. Ker je prehod topila iz zmesi v stanje pare, izražen z njegovim parcialnim tlakom, pomembnejši, čim večja je vsebnost njegovih molekul v raztopini, je Raoult ugotovil, da je "parcialni tlak nasičenih hlapov topila nad raztopina je enaka zmnožku nasičenega parnega tlaka nad čistim topilom pri isti temperaturi z njegovim molskim deležem v raztopini":

Kje - nasičen parni tlak topila nad zmesjo; - nasičen parni tlak nad čistim topilom N – molski delež topila v mešanici.

Enačba (8.6) je matematični izraz Raoultovega zakona. Za opis obnašanja hlapne topljene snovi (druge komponente binarnega sistema) se uporablja isti izraz:

. (8.7)

Skupni nasičeni parni tlak nad raztopino bo enak (Daltonov zakon):

Odvisnost parcialnega in celotnega parnega tlaka zmesi od njene sestave je prikazana na sl. 8.3, kjer je na ordinatni osi nasičen parni tlak, na abscisni osi pa sestava raztopine v molskih deležih. V tem primeru vzdolž osi x vsebnost ene snovi (A) pada od leve proti desni od 1,0 do 0 molskih frakcij, vsebnost druge komponente (B) pa istočasno narašča v isti smeri od 0 do 1,0 . Za vsako posebno sestavo je skupni nasičeni parni tlak enak vsoti parcialnih tlakov. Skupni tlak zmesi se spreminja od nasičenega parnega tlaka posamezne tekočine na nasičeni parni tlak druge čiste tekočine .

Za oceno požarne nevarnosti mešanic tekočin se pogosto uporabljata Raoultov in Daltonov zakon.

Sestava zmesi, molski deleži

riž. 8.3 Diagram sestave raztopine - nasičen parni tlak

Običajno sestava parne faze ne sovpada s sestavo tekoče faze in je parna faza obogatena z bolj hlapno komponento. To razliko lahko prikažemo tudi grafično (graf je podoben grafu na sliki 8.4, le da na ordinati ni temperatura, ampak tlak).

V diagramih, ki predstavljajo odvisnost vrelišč od sestave (diagram sestava - vrelišče riž. 8.4), je običajno običajno zgraditi dve krivulji, od katerih ena povezuje te temperature s sestavo tekoče faze, druga pa s sestavo pare. Spodnja krivulja se nanaša na sestave tekočin (krivulja tekočin), zgornja krivulja pa na sestave hlapov (krivulja hlapov).

Polje med dvema krivuljama ustreza dvofaznemu sistemu. Vsaka točka, ki se nahaja v tem polju, ustreza ravnotežju dveh faz - raztopine in nasičene pare. Sestavo ravnotežnih faz določajo koordinate točk, ki ležijo na presečišču izoterme, ki poteka skozi krivulje, in dane točke.

Pri temperaturi t 1 (pri določenem tlaku) bo tekoča raztopina sestave x 1 zavrela (točka a 1 na krivulji tekočine), para v ravnotežju s to raztopino ima sestavo x 2 (točka b 1 na krivulji pare).

Tisti. tekočina s sestavo x 1 bo ustrezala hlapom s sestavo x 2.

Na podlagi izrazov:
,
,
,
,

razmerje med sestavo tekoče in parne faze lahko izrazimo z razmerjem:

. (8.9)

riž. 8.4. Diagram sestava-vrelišče binarnih zmesi.

Realni nasičeni parni tlak posamezne tekočine pri dani temperaturi je značilna vrednost. Praktično ni tekočin, ki bi imele enak nasičen parni tlak pri isti temperaturi. Zato vedno bolj ali manj . če >, To >, tj. sestava parne faze je obogatena s komponento A. Med študijem raztopin je D.P. Konovalov (1881) je podal posplošitev, imenovano Konovalov prvi zakon.

V binarnem sistemu je para v primerjavi s tekočino, ki je z njo v ravnotežju, relativno bogatejša s tisto komponento, katere dodatek v sistem poveča skupni parni tlak, tj. zniža vrelišče zmesi pri danem tlaku.

Konovalov prvi zakon je teoretična osnova za ločevanje tekočih raztopin na njihove prvotne komponente s frakcijsko destilacijo. Na primer, sistem, označen s točko K, je sestavljen iz dveh ravnotežnih faz, katerih sestava je določena s točkama a in b: točka a označuje sestavo nasičenih hlapov, točka b označuje sestavo raztopine.

Z uporabo grafa je mogoče primerjati sestavo parne in tekoče faze za katero koli točko v ravnini med krivuljama.

Prave rešitve. Raoultov zakon ne velja za prave rešitve. Obstajata dve vrsti odstopanj od Raoultovega zakona:

parcialni tlak raztopin je večji od tlaka ali hlapnosti hlapov idealnih raztopin. Skupni parni tlak je večji od vrednosti aditiva. Takšna odstopanja se imenujejo pozitivna, na primer za zmesi (sl. 8.5 a, b) CH 3 COCH 3 -C 2 H 5 OH, CH 3 COCH 3 -CS 2, C 6 H 6 - CH 3 COCH 3, H 2 O-CH3OH, C2H5OH-CH3OCH3, CCl4-C6H6 itd.;

b

riž. 8.5. Odvisnost celotnega in delnega tlaka pare od sestave:

a – za zmesi s pozitivnim odstopanjem od Raoultovega zakona;

b – za mešanice z negativnim odstopanjem od Raoultovega zakona.

Parcialni tlak raztopin je manjši od parnega tlaka idealnih raztopin. Skupni parni tlak je manjši od vrednosti aditiva. Takšna odstopanja se imenujejo negativna. Na primer za zmes: H 2 O-HNO 3; H20-HCl; CHCl3-(CH3)2CO; CHCl3-C6H6 itd.

Pozitivna odstopanja opazimo v raztopinah, v katerih različne molekule medsebojno delujejo z manjšo silo kot homogene.

To olajša prehod molekul iz raztopine v parno fazo. Raztopine s pozitivnim odklonom nastanejo z absorpcijo toplote, t.j. toplota mešanja čistih komponent bo pozitivna, pride do povečanja prostornine in zmanjšanja asociacije.

Negativna odstopanja od Raoultovega zakona se pojavijo v raztopinah, v katerih pride do povečanja medsebojnega delovanja raznovrstnih molekul, solvatacije, tvorbe vodikovih vezi in tvorbe kemičnih spojin. To molekulam oteži prehod iz raztopine v plinasto fazo.

Najenostavnejši predstavnik ketonov. Brezbarvna, zelo gibljiva, hlapna tekočina z ostrim značilnim vonjem. Popolnoma se meša z vodo in večino organskih topil. Aceton dobro topi številne organske snovi (celulozni acetat in nitrocelulozo, maščobe, vosek, gumo itd.), Pa tudi številne soli (kalcijev klorid, kalijev jodid). Je eden od metabolitov, ki jih proizvaja človeško telo.

Uporaba acetona:

Pri sintezi polikarbonatov, poliuretanov in epoksi smol;

V proizvodnji lakov;

Pri proizvodnji eksplozivov;

Pri proizvodnji zdravil;

V sestavi filmskega lepila kot topilo za celulozni acetat;

Komponenta za čiščenje površin v različnih proizvodnih procesih;

Široko se uporablja za shranjevanje acetilena, ki ga zaradi nevarnosti eksplozije ni mogoče hraniti pod pritiskom v čisti obliki (za to se uporabljajo posode s poroznim materialom, namočenim v aceton. 1 liter acetona raztopi do 250 litrov acetilena) .

Nevarnost za ljudi:

Nevarnost enkratne izpostavljenosti visokim koncentracijam acetona Para draži oči in dihalne poti. Snov lahko vpliva na centralni živčni sistem, jetra, ledvice in prebavila. Snov se lahko absorbira v telo z vdihavanjem in skozi kožo. Dolgotrajen stik s kožo lahko povzroči dermatitis. Snov lahko vpliva na kri in kostni mozeg. Zaradi visoke toksičnosti se v Evropi namesto acetona pogosteje uporablja metil etil keton.

Nevarnost požara:

Lahko vnetljivo. Aceton spada v vnetljivo tekočino razreda 3.1 s plameniščem pod +23 stopinj C. Izogibajte se odprtemu ognju, iskram in kajenju. Mešanica hlapov acetona in zraka je eksplozivna. Nevarno onesnaženje zraka bo zelo hitro doseženo, ko bo ta snov izhlapela pri 20°C. Pri škropljenju - še hitreje. Para je težja od zraka in lahko potuje po tleh. Snov lahko tvori eksplozivne perokside v stiku z močnimi oksidanti, kot so ocetna kislina, dušikova kislina, vodikov peroksid. V normalnih pogojih reagira s kloroformom in bromoformom, kar povzroča nevarnost požara in eksplozije. Aceton je agresiven do nekaterih vrst plastike.

Ime komponento	Koeficienti Antoinove enačbe
Butanol-1
Vinil acetat
Metil acetat
Morfolin
Mravljinčna kislina
Ocetna kislina
pirolidin
Benzil alkohol
etanetiol
klorobenzen
trikloretilen *
kloroform
trimetilborat *
Metil etil keton
Etilen glikol
Etil acetat
2-metil-2-propanol
Dimetilformamid

Opombe: 1)

* podatke.

Glavna literatura

Serafimov L.A., Frolkova A.K. Temeljni princip prerazporeditve koncentracijskih polj med separacijskimi območji kot osnova za ustvarjanje tehnoloških kompleksov. Teor. osnove kemije Tehnol., 1997–T. 31, št. 2. str.184–192.

Timofeev V.S., Serafimov L.A. Osnove tehnologije za osnovno organsko in petrokemično sintezo - M.: Khimiya, 1992. 432 str.

Kogan V. B. Azeotropna in ekstrakcijska rektifikacija – L.: Khimiya, 1971. 432 str.

Sventoslavsky V.V. Azeotropija in poliazeotropija. – M.: Kemija, 1968. –244 str.

Serafimov L.A., Frolkova A.K. Splošni principi in klasifikacija binarnih tekočih raztopin glede na presežne termodinamične funkcije. Metodična navodila. – M.: JSC Rosvuznauka, 1992. 40 str.

Wales S. Fazna ravnovesja v kemijski tehnologiji. T.1. – M.: Mir, 1989. 304 str.

Termodinamika ravnotežja tekočina-para / Uredil A.G. Morachevsky.  L.: Kemija, 1989. 344 str.

Ogorodnikov S.K., Lesteva T.M., Kogan V.B. Azeotropne mešanice. Imenik.L.: Kemija, 1971.848 str.

Kogan V.B., Fridman V.M., Kafarov V.V. Ravnovesje med tekočino in paro. Referenčni priročnik, v 2 zvezkih. M.-L.: Nauka, 1966.

Lyudmirskaya G.S., Barsukova T.V., Bogomolny A.M. Ravnotežje tekočina - para. Imenik. L.: Kemija, 1987. 336 str.

Reed R., Prausnitz J., Sherwood T. Lastnosti plinov in tekočin Leningrad: Khimiya, 1982. 592 str.

Belousov V.P., Moračevski A.G. Toplota mešanja tekočin. Imenik. L.: Kemija, 1970 256 str.

Belousov V.P., Morachevsky A.G., Panov M.Yu. Toplotne lastnosti raztopin neelektrolitov. Imenik. - L.: Kemija, 1981. 264 str.

Izhlapevanje je prehod tekočine v paro s proste površine pri temperaturah pod vreliščem tekočine. Izhlapevanje nastane kot posledica toplotnega gibanja molekul tekočine. Hitrost gibanja molekul niha v širokem območju in v obe smeri močno odstopa od svoje povprečne vrednosti. Nekatere molekule, ki imajo dovolj visoko kinetično energijo, uidejo iz površinske plasti tekočine v plinski (zračni) medij. Odvečna energija molekul, ki jo izgubi tekočina, se porabi za premagovanje interakcijskih sil med molekulami in delo ekspanzije (povečanje prostornine), ko se tekočina pretvori v paro.

Izhlapevanje je endotermni proces. Če tekočini ne dovajamo toplote od zunaj, se ohladi zaradi izhlapevanja. Hitrost izhlapevanja je določena s količino hlapov, ki nastanejo na enoto časa na enoto površine tekočine. To je treba upoštevati v panogah, ki vključujejo uporabo, proizvodnjo ali predelavo vnetljivih tekočin. Povečanje hitrosti izhlapevanja z naraščajočo temperaturo povzroči hitrejše nastajanje eksplozivnih koncentracij hlapov. Največjo hitrost izhlapevanja opazimo pri izhlapevanju v vakuum in v neomejeno prostornino. To je mogoče razložiti na naslednji način. Opazovana hitrost procesa izhlapevanja je skupna hitrost procesa prehoda molekul iz tekoče faze V 1 in stopnjo kondenzacije V 2 . Skupni proces je enak razliki med tema dvema hitrostma: . Pri konstantni temperaturi V 1 ne spremeni, ampak V 2 sorazmerno s koncentracijo hlapov. Pri izhlapevanju v vakuumu v meji V 2 = 0 , tj. skupna hitrost procesa je največja.

Višja kot je koncentracija hlapov, višja je stopnja kondenzacije, zato je nižja skupna stopnja izhlapevanja. Na meji med tekočino in njeno nasičeno paro je stopnja izhlapevanja (skupna) blizu nič. Tekočina v zaprti posodi izhlapi in tvori nasičeno paro. Paro, ki je v dinamičnem ravnovesju s tekočino, imenujemo nasičena. Dinamično ravnovesje pri dani temperaturi nastopi, ko je število molekul tekočine, ki izhlapeva, enako številu molekul, ki se kondenzirajo. Nasičena para, ki zapušča odprto posodo v zrak, se z njo razredči in postane nenasičena. Zato v zraku

V prostorih, kjer so posode z vročimi tekočinami, so nenasičene pare teh tekočin.

Nasičene in nenasičene pare pritiskajo na stene krvnih žil. Nasičeni parni tlak je tlak pare v ravnovesju s tekočino pri dani temperaturi. Tlak nasičene pare je vedno višji od tlaka nenasičene pare. Ni odvisna od količine tekočine, velikosti njene površine ali oblike posode, temveč le od temperature in narave tekočine. Z naraščajočo temperaturo se poveča tlak nasičene pare tekočine; pri vrelišču je parni tlak enak atmosferskemu tlaku. Za vsako vrednost temperature je tlak nasičene pare posamezne (čiste) tekočine konstanten. Nasičeni parni tlak zmesi tekočin (olje, bencin, kerozin itd.) pri isti temperaturi je odvisen od sestave zmesi. Povečuje se s povečanjem vsebnosti produktov z nizkim vreliščem v tekočini.

Za večino tekočin je nasičen parni tlak pri različnih temperaturah znan. Vrednosti nasičenega parnega tlaka nekaterih tekočin pri različnih temperaturah so podane v tabeli. 5.1.

Tabela 5.1

Nasičeni parni tlak snovi pri različnih temperaturah

Snov	Nasičeni parni tlak, Pa, pri temperaturi, K
Butil acetat Baku letalski bencin Metilni alkohol Ogljikov disulfid terpentin Etanol Etil eter Etil acetat

Najdeno iz mize.

5.1 je nasičen parni tlak tekočine sestavni del celotnega tlaka mešanice pare in zraka.

Predpostavimo, da ima mešanica hlapov z zrakom, ki nastane nad površino ogljikovega disulfida v posodi pri 263 K, tlak 101080 Pa. Nato je nasičen parni tlak ogljikovega disulfida pri tej temperaturi 10773 Pa. Zato ima zrak v tej mešanici tlak 101080 – 10773 = 90307 Pa. Z naraščajočo temperaturo ogljikovega disulfida

tlak njegove nasičene pare se poveča, zračni tlak pade. Skupni tlak ostane konstanten.

Del skupnega tlaka, ki ga lahko pripišemo določenemu plinu ali pari, imenujemo delni. V tem primeru lahko parni tlak ogljikovega disulfida (10773 Pa) imenujemo parcialni tlak. Tako je skupni tlak mešanice pare in zraka vsota parcialnih tlakov ogljikovega disulfida, kisika in dušikovih hlapov: P para + + = P skupaj. Ker je tlak nasičenih hlapov del skupnega tlaka njihove mešanice z zrakom, postane mogoče določiti koncentracije tekočih hlapov v zraku iz znanega skupnega tlaka zmesi in parnega tlaka.

Parni tlak tekočin je določen s številom molekul, ki udarijo ob stene posode, ali koncentracijo hlapov nad površino tekočine. Višja kot je koncentracija nasičene pare, večji bo njen tlak. Razmerje med koncentracijo nasičene pare in njenim parcialnim tlakom je mogoče najti na naslednji način.

Predpostavimo, da bi bilo možno ločiti paro od zraka, tlak v obeh delih pa bi ostal enak skupnemu tlaku Ptot. Nato bi se prostornina, ki bi jo zasedla para in zrak, ustrezno zmanjšala. Po Boyle-Mariottovem zakonu je zmnožek tlaka plina in njegove prostornine pri stalni temperaturi stalna vrednost, tj. za naš hipotetični primer dobimo:

.

Tlak nasičene pare tekočine narašča z naraščajočo temperaturo (slika 8.2) in takoj, ko se izenači z atmosferskim tlakom, tekočina zavre. Iz sl. 8.2 je razvidno, da tlak nasičene pare naravno narašča z naraščajočo temperaturo. Pri enakem zunanjem tlaku tekočine vrejo pri različnih temperaturah, saj imajo različne tlake nasičene pare.

aceton etanol voda

Temperatura, oС

riž. 8.2 Odvisnost nasičenega parnega tlaka (P×10-5 Pa.) tekočine od temperature (aceton, etilni alkohol, voda).

Če spremenite zunanji tlak, se spremeni vrelišče tekočine. Z naraščanjem zunanjega tlaka se vrelišče zvišuje, z znižanjem (vakuum) pa znižuje. Pri določenem zunanjem tlaku lahko tekočina vre pri sobni temperaturi.

Odvisnost nasičenega parnega tlaka od temperature je izražena s Clausius-Clapeyronovo enačbo

, (8.1)

kje je molska entalpija izhlapevanja, ; - molska sprememba prostornine med postopkom izparevanja, enaka .

Pri izhlapevanju tekočine se prostornina parne faze v primerjavi s tekočo fazo močno spremeni. Torej, ko 1 voda izhlapi pri 25 ° C in tlaku 760 mm Hg. Umetnost. Nastane 1244 parov, t.j. obseg se je povečal za 1244-krat. Zato lahko v enačbi prostornino tekočine zanemarimo: , .

. (8.2)

Ob upoštevanju enačbe Mendeleev–Clapeyron in nato

. (8.3)

Integracija enačbe (8.3) vodi do formule

. (8.4)

Ta formula nosi ime dveh znanstvenikov – Clausiusa in Clapeyrona, ki sta jo izpeljala iz različnih izhodišč.

Clausius-Clapeyronova formula velja za vse fazne prehode, vključno s taljenjem, izhlapevanjem in raztapljanjem snovi.

Toplota izparevanja tekočine je količina toplote, ki jo tekočina absorbira med izotermnim izparevanjem. Razlikujemo med molsko izparilno toploto in specifično izparilno toploto (ki se nanaša na 1 g tekočine). Višja kot je izparilna toplota, tekočina ob enakih pogojih izhlapeva počasneje, saj morajo molekule premagovati večje sile medmolekularne interakcije.

Primerjava izparilnih toplot je lahko preprostejša, če jih upoštevamo pri konstantni temperaturi.

Za določitev tega se pogosto uporablja Troutonovo pravilo: molarna toplota izhlapevanja pri atmosferskem tlaku (P = const) različnih tekočin je neposredno sorazmerna z njihovim vreliščem Tbp

oz

Koeficient sorazmernosti se imenuje Troutonov koeficient in je za večino običajnih (nepovezanih) tekočin 88,2 - 92,4. .

Toplota uparjanja določene tekočine je odvisna od temperature. Z naraščanjem temperature pada in pri kritični temperaturi postane enaka nič.

Pri inženirskih izračunih se uporablja empirična Antoinova enačba

, (8.5)

kjer sta A, B konstanti, ki označujeta snov.

Ugotovljene odvisnosti tlaka nasičene pare od temperature se uporabljajo v požarnotehničnih izračunih za izračun koncentracije hlapov (; %), temperaturne meje širjenja plamena

.

V požaru tekočine izhlapevajo v okolico. Hitrost izhlapevanja tekočine določa hitrost njenega izgorevanja. V tem primeru na stopnjo izhlapevanja odločilno vpliva količina toplote, ki prihaja iz območja zgorevanja.

Stopnja izgorevanja tekočin ni konstantna. Odvisno je od začetne temperature tekočine, premera rezervoarja, nivoja tekočine v njem, hitrosti vetra itd.

Nasičeni parni tlak nad raztopinami tekočin, ki se neskončno mešajo

V praksi se pogosto uporabljajo številne raztopine, sestavljene iz dveh ali več tekočin, ki so dobro topne druga v drugi. Najenostavnejše so zmesi (raztopine), sestavljene iz dveh tekočin - binarne zmesi. Vzorci, najdeni za takšne mešanice, se lahko uporabijo za bolj zapletene. Take binarne mešanice vključujejo: benzen-toluen, alkohol-eter, aceton-voda, alkohol-voda itd. V tem primeru sta obe komponenti vsebovani v parni fazi. Nasičeni parni tlak zmesi bo vsota parcialnih tlakov komponent. Ker je prehod topila iz zmesi v stanje pare, izražen z njegovim parcialnim tlakom, pomembnejši, čim večja je vsebnost njegovih molekul v raztopini, je Raoult ugotovil, da je »parcialni tlak nasičenih hlapov topila nad raztopina je enaka zmnožku nasičenega parnega tlaka nad čistim topilom pri isti temperaturi z njegovim molskim deležem v raztopini":

, (8.6)

kjer je nasičen parni tlak topila nad zmesjo; - tlak nasičene pare nad čistim topilom; N je molski delež topila v mešanici.

Enačba (8.6) je matematični izraz Raoultovega zakona. Isti izraz se uporablja za opis obnašanja hlapne topljene snovi (druga komponenta binarnega sistema).