Physikalische Chemie Praktikum. Mischphasenthermodynamik: Siedediagramm eines binären Systems

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1 Hochschule Emden / Leer Physikalische Chemie Praktikum Vers.Nr.19 Juni 2015 Mischphasenthermodynamik: Siedediaramm eines binären Systems Allemeine Grundlaen: Gesetze von Dalton, Raoult, Henry, Dampfdruckdiaramm, Siedediaramm, azeotrope Mischunen, fraktionierte Destillation, Funktion des Abbe'-Refraktometers Aufabenstellun: Es ist das Siedediaramm eines binären Systems zu bestimmen. Die Zusammensetzun in der Gasphase und in der flüssien Phase wird über den Brechunsindex emessen. - Konstruieren Sie an Hand der Werte des Siedediaramms ein (x A/x l A)/P - Diaramm. - Verleichen Sie Ihr experimentelles Siedediaramm mit berechneten Siedediarammen. Grundlaen zum Versuch: Eine reine Flüssikeit A (A l * ) besitzt den Dampfdruck P A *. Dieser ist eine Funktion der Temperatur, P A * f(t). Wird P A * leich dem Umebunsdruck P, (P P A * ) so siedet die Flüssikeit. Besteht eine Flüssikeit aus zwei Komponenten A und B, deren Moleküle keine spezifische Wechselwirkun aufeinander ausüben (ideale Mischun), so ilt für die Partialdrücke der Komponenten A und B jeweils das RAOULT`SCHE GESETZ P A x l A P A * P B x l B P B * x l A, x l B sind die Molenbrüche der flüssien Phase, P A *,P B * die Dampfdrucke der reinen Komponenten. Der Gesamtdruck P ist: P P A + P B. 1

2 Bei "realen" Mischunen treten Abweichunen vom Raoultschen Gesetz auf: Die Molenbrüche in der Gasphase ereben sich bei idealen Mischunen zu: PA xa P l * xa PA x A P A l * PB PB PB P Im Dampfdruckdiaramm wird der Gesamtdruck P (bei konstanter Temperatur) als Funktion der Konzentration der Komponente A in der Flüssikeit x l A und in der Gasphase x A darestellt. P f(x l A) entspricht der Kurve a und P f(x A) der Kurve b. Der Bereich zwischen beiden Kurven ist ein verbotenes Gebiet. Bei idealen Mischunen ist a eine Gerade. m Siedediaramm werden die Beziehunen zwischen der Siedetemperatur der binären Mischun (bei konstantem Druck) und der Konzentration einer Komponenten in der flüssien Phase x l A und in der Gasphase x A darestellt. Bei einem Gemisch ist in der Dampfphase die Konzentration jener Komponente relativ rößer als in der Flüssikeit, die bei Zusatz zur Flüssikeit deren Siedepunkt erniedrit (KONO- VALOV-Reel). Bei binären Systemen ist dies die niedrier siedende Komponente. 2

3 Versuchsdurchführun Stellen Sie sich je 50 ml Methanol-Isopropanol-Mischunen (s.u.) her, indem Sie die Lösunsmittel aus Büretten mischen. Notieren Sie die enauen Volumen auf dem Messprotokoll. i-propanol: 0, 5, 10, 20, 30, 50, 70, 90, 95, 100 Vol%. Der Rest zu 100Vol% ist jeweils Methanol. Aus Sicherheitsründen (Methanol und i-propanol sind brennbar und Methanol ist ifti siehe Sicherheitsdatenblätter) stellen sie bitte keine Vorräte an Gemischen her: immer nur die Zusammensetzun deren Siedepunkt sie erade messen und die nächste folenden Gemischzusammensetzun). Die Vorratsflaschen sind zwischenzeitlich in den Gefahrstoffschrank zurückzustellen. Bestimmen Sie die Brechunsindizes n der dieser Mischunen (n Gemisch vorher ). Dazu eben Sie vorsichti soviel Flüssikeit auf das Messprisma, dass die Prismenfläche vollständi bedeckt ist. Nur dann elint es, bei Drehun der Kompensatorschraube eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze im Okular zu erzeuen. Das Messprisma wird über einen Thermostaten temperiert. Zeichnen Sie während des Versuches die Kalibrierkurve (Brechunsindizes der Mischunen als Funktion ihrer Zusammensetzun/Konzentration). Konzentrationsfehler der bereiteten Gemische zeien sich als Abweichunen der betreffenden Punkte von der Geraden. Auch bei erinen Abweichunen ist der Brechunsindex zu überprüfen und f. ein neues Gemisch herzustellen. Für die Bestimmun von Siedepunkt und Dampfzusammensetzun wird das Siedeefäß (Erlenmeyerkolben 100 ml) jeweils mit der Mischun efüllt + Manetrührfisch und unten in die Siedepunktapparatur einebaut (siehe Abb.). Die Kühlun wird eineschaltet. Der Ablasshahn ist eschlossen. Zum Aufheizen wird unter das Gefäß eine 200 C heiße Heizplatte mit Manetrührer esetzt. Die Siedetemperatur wird an beidem Temperaturmessstellen abelesen (Umschalter), wenn sich Flüssikeit und Dampf im Gleichewicht befinden (d.h. das Volumen am Abnahmehahn ist voll). Achten Sie darauf, dass das Thermometer so einestellt ist, dass eine Nachkommastelle anezeit wird. Die sich oberhalb des Abnahmehahns sammelnden Kondensattropfen (etwa 0,5 ml) werden in ein trockenes und sauberes Gefäß entnommen und der Brechunsindex bestimmt (n kondensierter Dampf ). Die Konzentration des Dampfes/Kondensats wird unter Verwendun der Kalibriermessreihe (s.o.) bestimmt. Die Heizplatte wird unter dem Siedekolben entfernt (Vorsicht heiß!) und das Gemisch nach Messun des Brechunsindexes des Sumpf-Restes (n Sumpf ) entsort (Abfallefäß Lösunsmittel). Das Gefäß kann nach dem Trocknen für weitere Messunen verwendet werden. 3

4 Notieren Sie auf dem Messprotokoll: V Methanol V Isopropoanol n Gemisch vorher n kondensierter Dampf T Dampf ml ml C C z.b. T Sumpf n Sumpf Beenden des Versuchs: Refraktometer ausschalten und mit Schutzhaube abdecken Manetrührer + Heizplatte ausschalten Thermometer ausschalten Kühlwasser von Thermostat und Kühler abdrehen Isopropanol und Methanol in den elben Chemikalienschrank Stühle zurück unter den Tisch stellen alle Glaseräte am Arbeitsplatz belassen und Versuchsmappe zueklappt an den Arbeitsplatz zurückleen Auswertun a) Kalibrierkurve Stellen Sie die Brechunsindizes n der Methanol-Isopropanol-Gemische und der reinen Komponenten als Funktion der Zusammensetzun (Vol%) dar. b) Siedediaramm Wählen Sie für das auf der Y-Achse abzutraende Siedepunktsintervall C, für die X-Achse (Konzentrationsachse) verwenden sie den Molenbruch von 0-1 bezoen auf Isopropanol. Dazu ist die Umrechnun von Vol% in Molenbruch erforderlich (Mit Hilfe von Dichte und Molekularewicht errechnen Sie die jeweilien Stoffmenen von Isopropanol bzw. Methanol und daraus den Molenbruch von Isopropanol) - Ermitteln Sie aus den Brechunsindizes des Sumpfes über die Kalibrierkurve die Zusammensetzun des Sumpfes. - Traen Sie für die Siedekurve die Siedetemperaturen een die Zusammensetzun der Flüssikeit (Sumpf) ab (Siedelinie). - Ermitteln Sie aus den Brechunsindizes der Kondensate über die Kalibrierkurve die Zusammensetzun der Kondensate. - Traen Sie zu diesen Konzentrationen die jeweils zuehörien Siedetemperaturen im Diaramm ab (Kondensationslinie). Unterscheiden Sie die Messpunkte für die Siede- und die Kondensationskurve mölichst durch verschiedene Zeichen oder Farben, um Verwechselunen der dicht beieinander lieenden Kurven zu vermeiden. 4

5 Diskussion: Das aus den Messwerten erstellte Siedediaramm ist mit einem Diaramm zu verleichen, das aus Daten des Simulationsproramm Aspen Plus erstellt wurde (Tabelle s.u.). (Fa. Aspen Technoloy: ein US-amerikanischer Softwarehersteller für Prozesssimulationssoftware, die zur Modellierun, Simulation und Optimierun chemischer Verfahren und Anlaen verwendet wird.) Zeichen Sie dazu Messwerte und theoretische Werte zusammen in ein zusätzliches emeinsames Diaramm: Aspen Plus LIQUID VAPOR MOLEFRAC MOLEFRAC T I-PROPANOL I- PROPANOL in C 1,0000 1, ,0 0,9500 0, ,4 0,9000 0, ,8 0,8500 0, ,5 0,8000 0, ,2 0,7500 0, ,1 0,7000 0, ,0 0,6500 0, ,1 0,6000 0, ,2 0,5500 0, ,3 0,5000 0, ,5 0,4500 0, ,8 0,4000 0, ,1 0,3500 0, ,4 0,3000 0, ,8 0,2500 0, ,2 0,2000 0, ,6 0,1500 0, ,1 0,1000 0, ,5 0,0500 0, ,0 0,0250 0, ,8 0,0000 0, ,5 Zubehör 2 Büretten 6 Jodzahlkolben mit Stopfen (100 ml) 4 Pasteurpipetten 1 Siedeapparatur (em.abb.) 1 Manetheizrührer 1 Manetrührfisch 1 Refraktometer 1 Thermostat 1 Laborhebebühne (Loby) Kosmetiktücher (Reiniun Refraktometer) Methanol (wasserfrei) Isopropanol (wasserfrei) 5