Löslichkeitsdiagramm. Grundlagen

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1 Grudlage Löslichkeitsdiagramm Grudlage Zur etrachtug des Mischugsverhaltes icht vollstädig mischbarer Flüssigkeite, das heißt Flüssigkeite, die sich icht bei jeder Temperatur i alle Megeverhältisse miteiader mische, diee sogeate Löslichkeitsdiagramme. ei Löslichkeitsdiagramme hadelt es sich um flüssig-flüssig Phasediagramme vo Zweikompoetesysteme (biäre Systeme). Dargestellt wird die Abhägigkeit der Zusammesetzug der beide flüssige Phase vo der Temperatur bei kostatem Druck. Diese Darstellug ergibt sich aus der Gibbs sche Phaseregel: F = C P + 2 Die Azahl der Freiheitsgrade F eies Systems lässt sich über diese eifache Zusammehag mit de Kompoete C ud de Phase P bereche. ei biäre Systeme mit zwei Kompoete erhält ma F = 4 P. Da ma aber mit dreidimesioale Diagramme schlecht arbeite ka, arbeitet ma bei kostatem Druck ud erhält F = 3 P. Im blau dargestellte ereich im ebestehede Diagramm existiert ur eie Phase (P = 1). Es ergebe sich also zwei Freiheitsgrade: die Temperatur T ud der Molebruch x. Im Gelb dargestellte ereich koexistiere zwei Phase, wodurch sich die Zahl der Freiheitsgrade auf 1 reduziert. Legt ma etwa die Temperatur T fest, so ist die Zusammesetzug der beide Phase eideutig gegebe. Die Abszissewerte der Schittpukte S ud R der Isotherme mit der Grezkurve des Eiphasebereichs ud der Mischphase etspricht der Zusammesetzug des jeweilige Gebiets. Die Verbidugsliie SR im et ma Koode, die vertikale Liie vo S zur Abszisse ist eie Isoplethe. Die Temperatur des Systems bestimmt also das Erfolge vo Phasetreug ud Phasevereiigug. Mit Hilfe des Hebelgesetzes ka eie Aussage über die quatitative Ateile der eizele Phase a eiem Pukt P im Zweiphasegebiet getroffe werde. Die rote Koode durch P liefert mit de Schittpukte x a ud x b die Zusammesetzuge der Phase a ud b. Die Läge l a ud l b der Teilstrecke ka ausgemesse werde ud liefert da über das Hebelgesetz für Phasediagramme das Verhältis der Stoffmege vo a ud b i der Mischphase: x a l a = x b l b 1 by ejami ulheller & Frak ock

2 Grudlage ei der eschreibug der Vorgäge i chemische Systeme ist es zweckmäßig, zuächst das Verhalte vo ideale Systeme zu betrachte ud da auf die reale Vorgäge zu schließe. Ideale Lösuge gehorche exakt dem Raoultsche Gesetz, mit desse Hilfe geaue Aussage über das Verhältis des partielle Dampfdrucks p A eier Kompoete A zum Dampfdruck p A * der reie Substaz A getroffe werde köe. p A = x a p A * Oder aders ausgedrückt: Das Verhältis vo p A zu p A * ist gleich dem Molebruch der Kompoete A i der Mischug. Außerdem ist der Dampfdruck des reie Lösugsmittels immer größer als der eier verdüte Lösug. Lösuge, die bei höhere Temperature starke positive Abweichuge vom ideale Verhalte zeige, etmische sich bei iedrigere Temperature. I ihrem Löslichkeitsverhalte tritt also ei Maximum mit dem sogeate kritische Etmischugspukt a seier Spitze auf. Die diesem Pukt zugehörige Temperatur wird als obere kritische Etmischugstemperatur T ok bezeichet, die zugehörige Zusammesetzug et ma kritische Zusammesetzug x k. Uterhalb der kritische Etmischugstemperatur erstreckt sich die Mischugslücke, oberhalb vo T ok das Eiphasegebiet. Dieses Verhalte lässt sich dadurch erkläre, dass die Moleküle der eizele Kompoete aufgrud ihrer höhere kietische Eergie bei höhere Temperature itermolekulare Abstoßugskräfte überwide köe. ei iedrigere Temperature sid ur große Mege eier Kompoete fähig, kleie Mege der adere zu löse. Erhöht ma die Temperatur im Zweiphasegebiet, so vergrößert sich der Ateil eier Phase auf Koste der adere kotiuierlich. Nur bei der kritische Zusammesetzug verschwidet die Phasegreze gaz plötzlich beim Erreiche der kritische Temperatur. Eiige biäre Systeme weise i ihrem Löslichkeitsdiagramm erstaulicherweise ei Miimum mit eier utere Etmischugstemperatur T uk auf, hier immt also die Mischbarkeit mit steigeder Temperatur ab. Dieses Verhalte lässt sich dadurch erkläre, dass bei tiefe Temperature die egative Abweichuge vom ideale Verhalte (z.. Verbidugsbildug) größer sid als die für das Etmische veratwortliche positive Abweichuge. ei steigeder Temperatur werde die Verbiduge zerstört ud die Kompoete etmische sich. 2 by ejami ulheller & Frak ock

3 Grudlage Hizu komme außerdem flüssig-flüssig Phasesysteme, dere Mischugslücke sowohl ei Maximum als auch ei Miimum aufweise. Hierbei köe zwei getrete Mischugslücke ud solche mit i sich geschlosseer Phasegrezkurve auftrete. Letztgeate Systeme fidet ma vor allem bei hohe Drücke. ei Molebrüche, die i de ereich der Mischugslücke falle, immt die Löslichkeit der beide Kompoete also ab der utere kritische Etmischugstemperatur ab, wodurch sich zwei Phase ausbilde. Erst ab der obere kritische Temperatur tritt wieder eie vollstädige Mischug der beide Phase ei. Das Lösugsverhalte ka durch die Zugabe vo Fremdstoffe dahigehed verädert werde, dass sich die obere kritische Lösugstemperatur etweder erhöht, oder herabgesetzt wird. Eie Erhöhug der obere kritische Etmischugstemperatur, also eie Vermiderug der gegeseitige Löslichkeit tritt bei der Zugabe vo Stoffe auf, die sich i ur eier der beide Kompoete löse (Aussalzeffekt). Die Löslichkeit wird gesteigert, we ei i beide Kompoete löslicher Stoff hizugegebe wird (Eisalzeffekt). Des weitere habe Systeme, die aus drei Kompoete aufgebaut eie große edeutug i der Chemie. edet ma auf diese sogeate teräre Systeme die Gibbs sche Phaseregel a, so ergibt sich für die Azahl der Freiheitsgrade F = 4. Um ei solches System graphisch darzustelle, hält ma Druck ud Temperatur kostat ud ka so die Mege der drei Kompoete (der Molebruch der dritte Kompoete ist durch die edigug x 1 + x 2 + x 3 = 1 gegebe), i eier zweidimesioale Auftragug darstelle. Für solche Zustadsdiagramme werde die Molebrüche gewöhlich etlag de Seite eies gleichseitige Dreiecks aufgetrage. Jeder Pukt i diesem Diagramm gibt da die Zusammesetzug des teräre Systems a. Der Schittpukt P der drei schwarze Achseparallele etspricht folglich eier Zusammesetzug vo x A, x, x C = 0.5, 0.1, 0.4. Etlag der gestrichelte Liie liege ud C jeweils im gleiche Verhältis vor. 3 by ejami ulheller & Frak ock

4 Sicherheit Sicherheit utoxyethaol C H 3 O OH g M(C 6 H 14 O 2 ) = mol g ρ(c 6 H 14 O 2 ) = cm bei 20 C R 20/21/22 Gesudheitsschädlich beim Eiatme, Verschlucke ud erührug mit der Haut R 37 Reizt die Atmugsorgae S 24/25 X erührug mit de Auge ud der Haut vermeide Gesudheitsschädlich Versuchsaufbau Es wurde 12 Mischuge aus utoxyethaol ud asser mit uterschiedliche Verhältisse i kleie Kolbe agesetzt. Die klare Lösuge wurde da i eiem asserbad erwärmt, woraufhi eie Trübug eisetzte. Mit eiem Messfühler wurde uter städigem Mische währed dem Abkühle ermittelt, bei welcher Temperatur dir Trübug wieder verschwad. 4 by ejami ulheller & Frak ock

5 Messergebisse Messergebisse Für die eizele Mischugsverhältisse wurde die Stoffmege ud Molebrüche uter eachtug der Dichte vo utoxyethaol berechet. Volume i ml Stoffmege i mol Molebruch Nr. utoxyethaol asser utoxyethaol asser utoxyethaol asser Für jede der Mischuge wurde 4 Messuge durchgeführt. Aus diese erte wurde jeweils der Mittelwert berechet. Nr. T 1 i C T 2 i C T 3 i C T 4 i C Mittelwert i C by ejami ulheller & Frak ock

6 Auswertug Auswertug Die Auftragug der Mittelwerte der Temperature gege de Molebruch vo utoxyethaol ergabe das folgede Löslichkeitsdiagramm mit uterer kritischer Etmischugstemperatur. Gemäß der Cailletet-Mathiassche-Regel wurde für 5 Temperature das arithmetische Mittel der Molebrüche der beide Gleichgewichtsphase berechet. Dies sid die schwarze Pukte der rote Verbidugsliie. Ahad des Schittpuktes der Regressiosgerade durch die erhaltee Pukte ud der utere kritische Etmischugstemperatur wurde die kritische Kozetratio ermittelt. Löslichkeitsdiagramm Temperatur ,018 0,038 0,058 0,078 0,098 0,118 0,138 0,158 M ole bruch utoxyethaol Die utere kritische Etmischugstemperatur beträgt 48.6 C. Die kritische Zusammesetzug liegt bei eiem Molebruch vo utoxyethaol vo vor. Um die kritische Kozetratio vo utoxyethaol zu bestimme, muss über das Stoffmegeverhältis gerechet werde: x x = = + + x = = x by ejami ulheller & Frak ock

7 Fehlerbetrachtug = = Für = 1 mol : = mol V 1 mol = = = mol c l ml m = M = mol = 7.27 g V g mol m = = = g ρ 0.9 ml ges 7.27 g 8.08 ml V = V + V = ml c (utoxyethaol) k mol mol = 2.36 V l l = = ges Fehlerbetrachtug Es trate systematische Fehler beim Ablese der Messpipette auf, wodurch die Mischugsverhältisse mit Abweichuge behaftet ware. Außerdem trate beim Schüttel Temperaturgradiete im Gemisch auf. Des weitere war das Verschwide der Trübug oft ur schwer zu erkee, was jedoch durch mehrmalige Durchführug des Versuches weggemittelt werde kote. 7 by ejami ulheller & Frak ock

8 Gesamtdiskussio Gesamtdiskussio Das Experimet hat gezeigt, dass es sich bei dem biäre System utoxyethaol/asser um ei Gemisch mit eiem Miimum der Mischugslücke mol hadelt. ei der kritische Kozetratio vo 2.36 l utoxyethaol tritt bei 48.6 C die Etmischug i zwei Phase ei. Dieses Protokoll wurde selbststädig erstellt. Frak oc k ejami ulheller 8 by ejami ulheller & Frak ock