槓桿規則

槓桿規則

槓桿規則是由物料衡算得出的系統中各部分物質的數量之間的關係。用槓桿規則來解決化學中百分比濃度、溶解度和相平衡的有關計算,比較直觀,列式又簡單,很容易掌握。

槓桿規則-含義

設系統中某組分的分子分數為x,如將系統分為分子分數各為x1、x2的兩部分,則它們的摩爾數n1與n2間,必定遵守下列關係:n1/n2=(x2-x)/(x-x1),此關係猶如以x為支點,以x2-x與x-x1為臂長的槓桿的計算公式,故名。如用重量分數,則得重量比 。

槓桿規則-性質

在相圖中計算處於平衡的兩相的相對數量的規則。設x和x代表呈平衡的兩相中某一個組分的組成(例如摩爾分數),x為該組分在系統中的總組成。按照槓桿規則,a及b兩相的量n及n(摩爾)之比為

nn (x x):(x- x)

百分比濃度的計算

例1:要把95 %和5 %的酒精都利用起來,現配製75 %的酒精900 ml,需要取95 %和5 %的酒精多少毫升?(設配製前後溶液的密度不變)

通常解法是:需要取95 %的酒精 x ml,則根據配製前後純酒精的質量不變,得方程式:

95 %× x + 5 %×(900- x)=75 %×900

解得: x=700 mL 900- x=900-700=200 mL

答:需要取95 %的酒精700 ml,5 %的酒精200 ml。

這個例題用槓桿規則就簡單多了。其方法是:取一帶單位的線段,線下標出濃度分數,線上標出該濃度時對應的體積數,則得A、B、C 三點成為一槓桿。如圖1。

槓桿規則 槓桿規則

以A 點為支點: x×(95-5)=900×(75-5)

以B 點為支點:(900- x)×(75-5)= x×(95-75)

以C 點為支點:(900- x)×(95-5)=900×(95-5)

以上三式看來是以A 點作支點時方程最簡單。一步可直接求出 x 值。選支點時一般是做到:“已知點所求點不作支點,第三點作支點。”

例2:現有40 %的甘油水溶液45 g,如果加入98 %的甘油水溶液25 g 混合均勻後溶液的濃度變為多少?解:設混合後的甘油水溶液的濃度為 x %,根據題意可作槓桿,如圖2:

槓桿規則 槓桿規則

以C 點為支點得:(98- x)×70=45×(98-40)

解得: x=60.7 %

答:混合後的甘油溶液濃度為60.7 % 。

溶解度的套用

物質的溶解度是指一定溫度下某種物質在100 g 水(溶劑)中製成飽和溶液時所溶解某種物質的克數。某物質在不同溫度時,溶解度不同,溶液的濃度也將發生變化。利用槓桿規則來解這類題目,可以將物質的溶解度轉換為百分比濃度。

例3:在溫度為100 ℃時,有500 g 飽和硝酸鉀溶液,如果把溫度降到0 ℃時能有多少克硝酸鉀可以從溶液中分離出來?(已知100 ℃和0 ℃的硝酸鉀溶解度分別為247 g 和13.5 g)

通常解法:設100 ℃時500 g 飽和硝酸鉀溶液中,溶有溶質 x g,溶劑水的質量為(500- x) g,列出比例式:

100 g︰(500― x) g=247 g︰ x

計算得: x =355.9 g

溶濟(水)的質量為:500 g-355.9 g=144.1 g。然後求0 ℃時144.1 g 水最多能溶解硝酸鉀的克數。設0 ℃時144.1 g 水最多能溶解y g 硝酸鉀。根據0 ℃時的硝酸鉀的溶解度列出比例式:

100 g︰144.1 g=13.5 g︰ y

y= =19.45 g

所以析出的硝酸鉀:355.9 g-19.4 g=336.5 g

答:能有336.45 g 硝酸鉀可以從溶液中分離出來。

用槓桿規來解:先把不同溫度下的溶解度用質量分數來表示。

相平衡的套用

在相平衡體系中運用槓桿規則來分析問題更加明了簡捷了。我們來看下面一例雙組分體相平衡題。

例4:試利用HO-NaNO 體系的相圖,分析將NaNO溶液進行恆溫蒸發的過程;並求在60 ℃時,將100 kg 30 %的NaNO 溶液,恆溫蒸發至體系組成為85 %時,析出和蒸發出來的水分質量。

本題分為兩步來解,第一步是:60℃時先在NaNO 質量不變的情況下將體系從30 %恆溫蒸發到85 %。設蒸發掉的水蒸汽為xg。

以C 點為支點得關係式: Gg×(85-0)=100 kg×(85-30)

得蒸發出的水蒸汽 G=64.71 g。

則得到85 %NaNO混合物為100 kg-64.71=35.29 kg

第二步是在固液平衡區。60 ℃ 85 %的體系為NaNO 飽和溶液與NaNO晶體的兩相平衡。而60℃時NaNO飽和溶液的質量濃度為56 %。設可析出晶體為 S g。以A 為支點得關係式:

S×(100-56)=35.29 kg×(85-56)

解得: S=23.26 kg

答:將30 %的NaNO溶液從60 ℃恆溫蒸發到85 %時可蒸發水蒸汽64.71 g,同時析出NaNO晶體23.26 g 。

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