9.1. Растворение.. Часть 2
Известны и другие способы перемешивания фаз и иные конструкции сосудов для определения растворимости твердых веществ.
Рис. ISO. Сосуды для определения растворимости твердых веществ с электромагнитной мешалкой (а), во вращающейся раме (б) и с термостатирующей рубашкой (в)
Многие исследователи предпочитают применять сосуд электромагнитными мешалками (рис.180, а), которые пределяют собой стеклянный стержень, имеющий вверху капсулу с железным сердечником 1, а внизу - колокол с отверстиями. Такая мешалка работает как вибрационная поршневая. Она перемешивает содержимое сосуда прямолинейным движением колокола вверх и вниз при помощи соленоида 2. Частоту колебаний подбирают экспериментально, она зависит от плотности жидкой и твердой фаз. Достоинство сосуда 4 - отсутствие жидкостного затвора и полная герметичность. Пробы из такого сосуда отбирают после удаления головки 3 вместе с соленоидом 2, крепящимся отдельно от сосуда.
Содержимое сосуда можно перемешивать без мешалок, применяя прибор с опрокидывающимися герметичными сосудами (рис. 180, б). В этом приборе достигается лучший контакт между фазами, но отбор проб более сложен. Надо останавливать двигатель 1, со шкивами 2 и приводным ремнем 3 вынимать сосуд 6 из рамы 5 термостата 4 (нагреватель и термометры не показаны), отвинчивать крышку сосуда вне термостата и нарушать тем самым установившееся тепловое равновесие между термостатной жидкостью и -содержимым сосуда. Сосуды готовят из фто-Ропласта-4, обладающего малой теплопроводностью . Равновесие между фазами в таких сосудах устанавливается более длительное время, чем в стеклянных сосудах.
Самым простым прибором для определения взаимной растворимости несмешивающихся жидкостей является стеклянный сосуд 4 (рис. 180, в) с магнитной мешалкой 5-6, окруженный стеклянной рубашкой 3 с проточным теплоносителем и закрытый пробкой 2 с термометром 1.
В сосуд 4 заливают смесь двух жидкостей и перемешивают до образования мутного раствор (взвесь мельчайших капелек одной жидкости в другой). Затем смесь, не останавливая мешалки, постепенно нагревают, Пропуская через рубашку 3 теплоноситель с высокой температуру и следят за изменением мутности. При достижении равновесие во взаимной растворимости жидкостей смесь становится прозрачной. В этот момент и фиксируют температуру. После этого через рубашку 3 пропускают теплоноситель с низкой температурой для охлаждения раствора двух жидкостей и в момент появления мутности опять фиксируют температуру раствора. Разница в определении первой и второй температур не должна превышать 0,1 °С. Найденная температура является температурой равновесия взаимной растворимости двух жидкостей данного состава. В областях, близких к чистым жидкостям, растворимость определяют криоскопическим методом.
Вместо визуального наблюдения за изменением степени прозрачности раствора применяют датчики в виде фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей.
Известен еще один метод определения растворимости твердых и жидких веществ, называемый методом Алексеева или методом постоянного состава.
Алексеев Владимир Федорович (1852 - 1919) - русский физикохимик. Свой способ разработал в 1886 г.
Метод основан на определении температуры, при которой из раствора строго определенного состава выделяются первые кристаллы или исчезают последние кристаллы. В первом случае приходится сталкиваться с явлением переохлаждения раствора, вносящим некоторую погрешность в значение измеренной температуры.
Работу проводят следующим образом. В ампулу 3 с толщиной стенок не менее 2 мм вводят порошкообразное вещество и наливают строго определенное количество растворителя. Затем ампулу запаивают, взбалтывают, нагревают до полного растворения порошка и быстро охлаждают. Твердое вещество при этом выделяется в виде мельчайших кристаллов, равномерно распределенных в объеме растворителя. После этого ампулу 3 помещают в сосуд 2 (рис. 181) с термометром 1 для медленного нагревания со скоростью 0,5 °С/мин. Для этого через перфорированное дно 5 сосуда пропускают жидкость с постепенно возрастающей температурой из отдельного термостата. Сосуд типа б нагревают с помощью токопроводящей пленки 4, для этого в него наливают силиконовое масло, превращая его тем самым в жидкостную баню, температуру в которой постепенно повышают, следя за показаниями термометра 1 и изменяя постепенно напряжение, подаваемое на токопроводящую пленку.
Рис. 181. Приборы для определения растворимости веществ по методу Алексеева с проточной нагретой жидкостью (а) и токопроводящей пленкой (б)
Рис. 182. Диаграмма растворимости
Замечают температуру, при которой исчезают последние кристаллы в растворе, находящемся в ампуле 3. Это и будет температура образования насыщенного раствора или растворимость взятого вещества.
Объем ампулы, заполненной паром растворителя, должен быть возможно меньшим, так как испарение растворителя увеличивает измеряемое значение растворимости вещества. Если использовать оптическое устройство для наблюдения за исчезновением микрокристаллов, то можно определить растворимость 1 мг вещества.
Получив для разных температур данные о растворимости вещества, строят политерму растворимости в координатах концентрация насыщенного раствора - температура как часть диаграммы растворимости системы вещество - растворитель. Давление принимают постоянным, равным 101325 Па = 1 атм.
В качестве примера на рис. 182 изображена диаграмма растворимости для системы NH4Cl-H2O, построенная по данным, Полученным с применением описанных выше методов определения растворимости вещества в воде.
Кривая 1 на диаграмме - это кривая растворимости льда в воде, отвечающая фазовому равновесию лед ↔ раствор. Кривая 2- rривая растворимости хлорида аммония в воде, отвечающая фазовому равновесию соль ↔ раствор. Область А на диаграмме - область кристаллизации льда. В ней находятся две фазы: лед и раствор. Область В - область кристаллизации NH4Cl. В ней также сосуществуют две фазы: кристаллы соли и раствор.
Кривая 2 устанавливает растворимость NH4Cl от -15 + 100 °С в воде. В частности, при 60 °С растворимость NH4Cl в воде составляет 35% (точка К).
В точке Е, называемой эвтонической, в фазовом равновесии находятся три фазы: раствор, лед и кристаллы NH4Cl. Выше кривых 1 и 2 существует только одна фаза - ненасыщенный раствор. При температуре ниже температуры эвтонической точки Е жидкая фаза исчезает и будет существовать только тверда фаза, состоящая из льда и хлорида аммония.
Другие части: