Фазовые диаграммы полностью смешивающихся жидкостей

Верхняя линия на рис. 6.10 представляет собой кривую полного давления пара для идеального раствора, состоящего из двух компонентов А и В. При любых давлениях пара и составах, соответствующих точкам графика, которые расположены выше этой линии, смесь компонентов А и В представляет собой жидкость. При любых давлениях пара и составах ниже этой линии смесь представляет собой пар. При любых давлениях пара и составах, соответствующих данной линии, жидкость и пар находятся в равновесии:

Жидкость - Пар

Рассмотрим теперь условия, при которых происходит кипение трех разных смесей в рассматриваемой системе.

Смесь С представляет собой жидкость под давлением 1 атм (рис. 6.11). Чтобы заставить эту жидкость кипеть, не повышая температуру, нужно понизить ее давление от 1 атм (точка Q до давления, соответствующего точке С на линии фазового равновесия. Эта точка соответствует давлению, при котором происходит кипение смеси С, при данной температуре. В точке С жидкость и пар находятся в равновесии.

Смесь D представляет собой пар, находящийся под давлением 1 атм. Это состояние изображается на диаграмме точкой D. Чтобы сконденсировать пар, не уменьшая температуры, нужно увеличить его давление до точки D' на линии равновесия жидкость-пар. Эта точка соответствует давлению пара кипящей смеси D при данной температуре.

Смесь E кипит при давлении 1 атм и температуре системы. Точка E соответствует давлению пара и составу жидкости при равновесии между паром и жидкостью. Но зададимся вопросом каков состав пара в этой точке? Пар двухкомпонентного раствора представляет собой смесь пара более летучего компонента А и пара менее летучего компонента В. Частицы более летучего компонента обладают большей способностью переходить из жидкости в паровую фазу, чем частицы менее летучего компонента. Поэтому паровая смесь оказывается в большей мере обогащенной компонентом А по сравнению с жидкой фазой. В результате мольная доля компонента А в паровой фазе оказывается больше, чем его мольная доля в жидкой фазе. Состав пара соответствует точке E на рис. 6.11.

 

Если построить график зависимости давления пара жидкой смеси (т. е. раствора) от состава пара во всем диапазоне изменений составов, получится показанная на рис. 6.12 нижняя кривая. Верхняя кривая на этом рисунке-это график зависимости давления пара жидкой смеси от состава жидкости. Она соответствует графику, изображенному на рис. 6.11, и верхней линии на рис. 6.10.

При повышении температуры парциальные давления пара обоих компонентов жидкой смеси и полное давление пара смеси возрастают, как и должно быть согласно закону Шарля (см. разд. 3.1). На рис. 6.13 показаны графики зависимости давления паров жидкой смеси от ее состава при трех разных температурах. Чем выше температура, тем больше угол наклона такого графика. При давлении 1 атм смесь состава хА(¥) кипит, когда ее температура равна T3; смесь состава xA(G) кипит при температуре T2 и т. д.

Если построить график зависимости температуры кипения от состава жидкой смеси, получится кривая температур кипения, показанная на рис. 6.14. Точка С на этой кривой соответствует жидкости состава л:А(С) при ее температуре кипения T(C). При этой температуре давление пара смеси равно внешнему давлению и пар находится в равновесии с жидкостью. По указанной выше причине пар смеси оказывается богаче ее более летучим компонентом. Этот компонент имеет более низкую температуру кипения. Состав пара при данной температуре кипения соответствует точке D на рис. 6.14. Если соединить все такие точки, указывающие состав пара при различных температурах кипения, получится показанная на рис. 6.15 верхняя кривая.

 

 

Рис. 6.12. Фазовая диаграмма жидкой смеси при постоянной температуре, показывающая состав жидкости и пара.

 

Рис. 6.13. Влияние повышения температуры на фазовую диаграмму жидкость пар.

 

Фазовые диаграммы жидкость-пар при постоянном давлении играют очень важную роль при изучении перегонки. Если, например, перегонке подвергается смесь состава хА(С), то дистиллат будет иметь состав xA(D). Если затем подвергнуть дистиллат повторной перегонке, то новый дистиллат будет иметь состав хА(Е). Повторная перегонка делает теоретически возможным полное разделение компонентов А и В. Этот принцип лежит в основе фракционной (дробной) перегонки.

 

Рис. 6.15. Фазовая диаграмма жидкой смеси при постоянном давлении, показывающая состав жидкости и пара.

 

Оглавление: