Mieszalność cieczy

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).

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:

• 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.

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. Rozwarstwienie zanika w temperaturze 70–90 °C (zależnej od stężenia THF).

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^[1][2][3].

• Przykładowe 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)

• 

  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).

Liczba mieszalności

Rozpuszczalnikom organicznym przypisać można empiryczną wartość liczbową mieszalności w skali 1–31. Wzorcem najwyższej hydrofilowości o wartości 1 jest gliceryna, a wzorcem najwyższej lipofilowości o wartości 31 jest wazelina. Rozpuszczalniki, których różnica w liczbie mieszalności jest mniejsza niż 16 są zazwyczaj wzajemnie mieszalne. Dlatego rozpuszczalniki o liczbie mieszalności ok. 16 są zwykle mieszalne z wszystkimi innymi rozpuszczalnikami. Należą do nich np. pirydyna i izopropanol^[4].

Zobacz też

• przemiana fazowa
• wykres fazowy
• destylacja z parą wodną

Przypisy