Mieszalność cieczy - Polski Serwis Naukowy

Mieszalność cieczy jest zjawiskiem, które dotyczy cieczy o zbliżonych właściwościach (znana reguła "podobne w podobnym"), np. ciecze polarne mieszają się z innymi cieczami polarnymi, ciecze niepolarne mieszają się dobrze z innymi cieczami niepolarnymi (zobacz np. napięcie powierzchniowe, heteroazeotrop, heterozeotrop).

Heterozeotrop – układ ciecz-para, w którym nie występuje punkt azeotropowy, a występuje obszar ograniczonej mieszalności cieczy, połączony z obszarem współistnienia cieczy i pary. Na wykresach fazowych odniesionych do układów dwuskładnikowych i stałego ciśnienia znajduje się odcinek izotermy, na którym mieszczą się punkty określające skład pary i obu współistniejących z nią cieczy. Para zawiera więcej składnika o większej lotności niż obie ciecze. Skład pary i temperatura heterozeotropu nie zależą od udziałów obu faz ciekłych układzie, co jest konsekwencją reguły faz Gibbsa.

Obróbka cieplna stopów żelaza – zabieg dokonywany na stopach żelaza z węglem takich jak stal, staliwo lub żeliwo, w czasie którego pod wpływem ciepła i innych działań modyfikuje się niektóre własności fizyczne i chemiczne tych stopów.

Rozróżnia się:

nieograniczoną mieszalność – mieszanie w dowolnych proporcjach cieczy A i B prowadzi zawsze do powstania 1 fazy ciekłej, np. woda i alkohol etylowy lub woda i aceton mieszają się ze sobą w dowolnych proporcjach

ograniczoną (częściową) mieszalność – po zmieszaniu dwóch ciekłych składników A i B może powstać roztwór B w A oraz roztwór A w B, oddzielone od siebie powierzchnią fazową.

Jeżeli ograniczona mieszalność występuje w pewnym przedziale temperatur, wówczas rozróżnia się:

Heteroazeotrop – trójfazowa mieszanina azeotropowa, czyli taki azeotrop, w którym z parą współistnieją różne niemieszające się roztwory, np. dwie fazy ciekłe (w przypadku układów dwuskładnikowych). Na wykresach fazowych odniesionych do stałego ciśnienia znajduje się odcinek izotermy, którego końce określają zawartości składników w obu współistniejących roztworach (roztwory wzajemnie nasycone). Punkt określający skład pary leży pomiędzy nimi. Skład pary nie zależy od udziałów obu faz ciekłych w układzie – nie ulega zmianom dopóki w układzie znajdują się oba roztwory, co jest konsekwencją reguły faz Gibbsa.

Nikotyna (ATC: N 07 BA 01) – organiczny związek chemiczny z grupy alkaloidów pirydynowych zawarty w liściach tytoniu. Śladowe ilości nikotyny znajdują się też w pomidorach, bakłażanach i papryce. Jest silnie uzależniającym .

dolną temperaturę krytyczną mieszalności – poniżej tej temperatury występuje nieograniczona mieszalność, natomiast powyżej – ograniczona

górną temperaturę krytyczną mieszalności – powyżej tej temperatury występuje nieograniczona mieszalność, natomiast poniżej – ograniczona

Przykładami układów, w których występuje zarówno górna jak i dolna krytyczna temperatura mieszalności, są układy woda–nikotyna i woda–tetrahydrofuran (THF). Na wykresach równowagi przedstawia się np. w układzie współrzędnych temperatura – udziały składników układu, granicę obszaru współistnienia obu faz ciekłych. W polu otoczonym tą linią znajdują się punkty określające skład całego układu. Składy faz ciekłych, znajdujących się w równowadze termodynamicznej wyznaczają odpowiednie izotermy, przechodzące przez te punkty. Stosunek ilości obu faz w wybranej temperaturze określa się na podstawie reguły dźwigni (odległości punktu opisującego układ od granic obszaru dwufazowego). Wraz ze zmianami temperatury skład obu cieczy (zawartość składników) i ilościowe udziały faz w mieszaninie ulegają równoczesnym zmianom.

Przemiana fazowa (przejście fazowe) to taka zmiana układu fizycznego lub chemicznego, której towarzyszy skokowa zmiana parametrów układu, np. ciepła właściwego układu lub jego składowych.

Polarność – właściwość indywiduów chemicznych polegająca na występowaniu w nich elektrycznego momentu dipolowego w wyniku nierównomiernego rozłożenia cząstkowych ładunków elektrycznych w ich objętości.

Wodny roztwór tetrahydrofuranu (THF) o stężeniu 30–70% jest w temperaturze około 150 °C jednofazowy. W czasie jego chłodzenia obserwuje się, że w temperaturze 130–140 °C staje się mętny (zaczyna się wydzielać druga faza ciekła), po czym można zauważyć rozwarstwienie obu cieczy. Rozwartwienie zanika w temperaturze 70–90 °C (zależnej od stężenia THF).

Reguła dźwigni – zasada interpretacji wykresów fazowych, umożliwiająca określanie udziałów dwóch faz znajdujących się w stanie równowagi w obszarach współistnienia. Użycie pojęcia "dźwignia" wskazuje analogię do klasycznej dźwigni – podstawowej maszyny prostej, która znajduje się w równowadze mechanicznej, gdy są sobie równe iloczyny siły (F) przez długość ramienia (r).

Język polski (polszczyzna) należy wraz z językiem czeskim, słowackim, pomorskim (kaszubskim), dolnołużyckim, górnołużyckim oraz wymarłym połabskim do grupy języków zachodniosłowiańskich, stanowiących część rodziny języków indoeuropejskich.

Obszary ograniczonej mieszalności w fazie ciekłej mogą łączyć się z obszarami równowagi ciecz–ciało stałe (np. krystalizacja z roztworów dwufazowych) lub ciecz–para. W układach ciecz–ciecz–para występuje wówczas heteroazeotropia lub heterozeotropia. Przemiany zachodzące w stanie równowagi dwóch cieczy z fazą stałą są wykorzystywane w procesach ekstrakcji. W tego rodzaju układach występują tzw. punkty inwariantne (niezmiennicze, zerozmienne), co wynika z reguły faz Gibbsa. Zgodnie z regułą układy dwuskładnikowe nie mają stopni swobody, gdy w równowadze znajdują się trzy fazy, na przykład dwie ciecze i kryształy, lub dwie ciecze i para. W czasie chłodzenia lub ogrzewania takiego układu obserwuje się "przystanek" (plateau). Temperatura nie zmienia się, dopóki jedna z faz nie zniknie.

Równowaga termodynamiczna – pojęcie stosowane w termodynamice. Oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składają się: równowaga chemiczna (brak makroskopowego przepływu cząstek i reakcji chemicznych), mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły) i termiczna (nie występuje przepływ energii).

Obszar współistnienia – zestaw współrzędnych (fazowych) na wykresie fazowym dla których współistnieją jakieś konkretne fazy (2 lub więcej), np.:

Przykladowe wykresy fazowe

Wykres fazowy układu tetrahydrofuran–woda
z górną i dolną temperaturą krytyczną mieszalności cieczy

Obszar współistnienia dwóch cieczy (2' i 2") z górną krytyczną temperaturą mieszalności;
powyżej zeotrop – układ para (1) – ciecz (2)

Heterozeotropia.
Układ z temperaturą równowagi pary (1) i dwóch cieczy (2 i 3)

Ekstrakcja – operacja służąca do rozdzielenia mieszanin ciał stałych i ciekłych. Rozdział następuje przez rozpuszczenie niektórych składników mieszaniny w cieczach, zwanych rozpuszczalnikami. Proces ekstrakcji może zachodzić w układach dwufazowych ciało stałe – ciecz lub ciecz – ciecz.

Woda, tlenek wodoru (nazwa systematyczna IUPAC: oksydan) – związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia – lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.

Heteroazeotropia.
Układ z temperaturą równowagi pary (1) i dwóch cieczy (2 i 3)

Układ z temperaturą równowagi dwóch cieczy (1' i 1") i fazy stałej (3)

Równowaga ciecz-ciało stałe w układzie trójskładnikowym z obszarem ograniczonej mieszalności cieczy

Występowanie analogicznych zjawisk ograniczonej mieszalności składników w stopach metali umożliwia ich skuteczne uplastycznianie lub utwardzanie metodami obróbki cieplnej (np. obróbka cieplna stopów żelaza).

Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazowym lub inną cieczą. Zjawisko to polega na powstawaniu dodatkowych sił działających na powierzchnię cieczy w sposób kurczący ją tak, że zachowuje się ona jak sprężysta błona. Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo. Zjawisko to ma swoje źródło w siłach przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Występuje ono zawsze na granicy faz termodynamicznych, dlatego zwane jest też napięciem międzyfazowym.

Reguła faz lub reguła faz Gibbsa – zależność obowiązująca dla każdego układu będącego w równowadze termodynamicznej, łącząca liczbę faz w układzie, liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody:

Zobacz też

przemiana fazowa

wykres fazowy

destylacja z parą wodną

Przypisy

Stanisław Bursa: Chemia fizyczna. Wyd. Wyd. 2 popr. Warszawa: Państ. Wydaw. Naukowe, 1979. ISBN 83-01-00152-6. (pol.)
Janusz Ciborowski: Podstawy inżynierii chemicznej. Warszawa: WNT, 1965. (pol.)
Janusz Ciborowski: Inżynieria chemiczna. Wyd. II. Warszawa: PWT, 1955. (pol.)