Закон распределения экстракция. Закон распределения Нернста. Экстракция. Растворы – физико-химические системы
Если взять две несмешивающиеся жидкости и добавить третий компонент, то он будет растворяться в разной степени в том и другом растворителе. При установлении равновесия отношение концентраций полученных растворов будет постоянным при данной температуре
= К, это выражение закона распределения Нернста, где
Концентрации третьего компонента в I и II фазах;
К - коэффициент распределения.
Если растворенное вещество диссоциирует или ассоциирует в одном из растворителей, то уравнение Нернста имеет вид:
Для нахождения Кип логарифмируем уравнение и получаем уравнение прямой
Построив прямую в координатах 
, найдем «п
» как тангенс угла наклона прямой (по любым двум точкам, лежащим на прямой) tga
=
InK можно найти из уравнения, подставив в него значения любой точки, находящейся на прямой.
Этот закон лежит в основе процесса экстракции. Экстракция это извлечение компонента из одной фазы в другую. Экстракция бывает твердофазная - извлечение веществ из твердой фазы в жидкую (например, заваривание чая, кофе, приготовление настоек, экстрактов трав и т.д.) и жидкофазная - извлечение растворенного вещества из жидкого раствора экстрагентом . Раствор извлеченного вещества в экстрагенте называется экстрактом , а исходный раствор после извлечения из него вещества называется рафинатом .
Для расчета эффективности жидкофазной экстракции используют уравнение
(3.31)
Где х - доля неизвлеченного вещества в рафинате;
V - объем исходного раствора;
Объем экстрагента;
К - коэффициент распределения
п - число экстракций.
Как видно из уравнения, чем больше экстракций, тем меньше остается вещества в рафинате, то есть неизвлеченным, тем больше вещества извлекается экстрагентом. Эффективность экстракции в большой степени определяется величиной коэффициента распределения: чем больше коэффициент в пользу экстрагента, тем эффективнее экстракция.
Пример 1. 0,1 моль спирта распределяется между 300 мл воды и 500 мл CCl 4 . Найдите концентрации спирта (моль/л) в равновесных растворах. Коэффициент распределения этилового спирта между четырёххлористым углеродом и водой равен 0,0244.
Решение: По закону распределения:
где С 1 – концентрация растворённого вещества в первом растворителе (CCl 4);
С 2 – концентрация растворённого вещества во втором растворителе (Н 2 О).
К – коэффициент распределения
Число молей спирта, перешедшего в четырёххлористый углерод обозначим через Х, тогда:
В воду перейдет оставшееся количество спирта, равное (0,1 – Х) моль, следовательно: 
Подставив С 1 и С 2 в уравнение получим 
Откуда Х = 0,0039 моль
моль/л 
моль/л
Пример 2. 0,3 г кристаллического йода растворено в 1 л воды. Рассчитайте эффективное число ступеней экстракции этого раствора сероуглеродом, если сероуглерод берётся порциями по 100 мл. Конечная концентрация йода в воде составляет 1×10-6 г/л? Коэффициент распределения йода между водой и сероуглеродом равен 0,0017.
Решение:
Формула расчёта процесса экстракции: 
где g 0 – исходное количество вещества, подвергающееся экстрагированию;
V 0 – объём раствора, в котором находится экстрагируемое вещество;
V э – объём растворителя (экстрагента), израсходованный на одно экстрагирование;
n – общее число ступеней экстракции; К – коэффициент распределения.
lg g n = lg g 0 + n lg KV 0 , откуда
91 - 100. Cмешалиn 1 моля спирта с объёмом V 1 мл четыреххлористого углерода и объёмом V 2 мл воды. Определитеконцентрации растворов этилового спирта в четыреххлористом углероде и воде. Коэффициент распределения этилового спирта между четыреххлористым углеродом и водой равен 0,0244.
101 - 110. Необходимо извлечьопределённое количество%(масс.) кислоты из V 1 мл раствора кислоты в эфире. Сколько для этого необходимо взять воды в качестве экстрагента при числе ступеней экстракции равном n, если коэффициент распределения кислоты между водой и эфиром равен К?
111 - 120. Рассчитайте, какое количество HgBr 2 можно извлечь из объёма V 1 мл концентрацией С м моль/л водного раствора с помощью объёма V 2 мл бензола n -кратной экстракцией. Коэффициент распределения HgBr 2 между водой и бензолом равен 0,893.
Тема 2.
Растворы – физико-химические системы.
Коллигативные свойства растворов.
Растворимость
Пример 1. Определение массы газа в растворе по его растворимости.
Сколько хлороводорода HCI растворится в 100 л воды при 40ºС и давлении 98625 Па, если растворимость HCI при этой температуре и давлении 1,0133×10 5 Па составляет 386 м 3 на 1 м 3 воды?
Решение.
Растворимость (или коэффициент растворимости) выражают массой вещества (г), которое можно растворить в 100 г растворителя при данной температуре.
Определяем объём HCI, содержащегося в 100 л воды при 40ºС и давлении 1,0133×10 5 Па:
1000 л H 2 O - 386 м 3
100 л H 2 O - х
м 3 х
= 
м 3
Массу HCI вычисляем по уравнению Менделеева – Клайперона;
М (HCI) = 36,46 г/моль. Тогда:
m =
= 
53,4 кг.
Пример 2 . Определение состава газовой смеси по растворимости газов.
Газовая смесь, содержащая 21% O 2 и 79% N 2 , пропущена через воду при 0ºС и давлении 1,0133×10 5 Па. Вычислите объёмные доли φ газовой смеси, растворённой в воде, если растворимость кислорода и азота в воде при этой температуре и давлении соответственно равна 0,048 и 0,0236 м 3 на 1 м 3 воды.
Решение.
Согласно закону Генри растворимость (Р ) газа в воде пропорциональна его парциальному давлению в смеси. Определим парциальное давление газов в смеси:
p О 2 = 1,0133 × 10 5 × 0,21 = 0,2128 × 10 5 Па;
p = 1,0133 × 10 5 × 0,79 = 0,8005 × 10 5 Па.
Учитывая парциальные давления, определяем растворимость газов:
Р
= 
= 0,0104 м 3 ;
Р
= 
= 0,0189 м 3 .
Общий объём азота и кислорода; 0,0104 + 0,0189 = 0,0293 м 3 . Тогда объёмная доля газов и смеси составит (%):
φ = 0,0104×100/0,0293 = 35,49; φ = 100,00 – 35,49 = 64,51.
Задачи для самостоятельного решения
121 - 130. В воде при 20ºС и общем давлении 2,5×10 5 Па растворена газовая смесь, состоящая из О 2 , N 2 и Cl 2 . Объёмные доли этих газов в смеси соответственно равны ω (О 2), ω (N 2) и ω (Cl 2) %. Растворимость газов в 1 м 3 воды (м 3): РО 2 = 0,031; РN 2 = 0,016; РCl 2 = 2,299. Определите объёмные доли газов в газовой смеси, растворённой в воде.
| параметры | № задачи | |||||||||
| ω (О 2) % | ||||||||||
| ω (N 2) % | ||||||||||
| ω (Cl 2) % |
131 - 140. В некотором объёме V 1 л воды растворен объём V 2 л вещества А при температуре t ºС и давлении Р Па. Определите массовую долю вещества А в полученном растворе.
Физико-химические свойства
При смешивании двух жидкостей они могут быть:
Неограниченно растворимыми, т.е. растворяться друг в друге в любых соотношениях;
Практически не растворимыми;
Ограниченно растворимыми.
Взаимная растворимость зависит от химического строения жидкостей, которые в свою очередь делятся на полярные и неполярные.
Еще алхимиками было замечено, что «подобное растворяется в подобном», т.е. полярные жидкости хорошо растворяют полярные жидкости, а неполярные – неполярные.
По этой причине, вода – полярный растворитель хорошо растворяет полярные жидкости (уксусная кислота, этанол) и совсем не растворяет неполярные (бензол, гексан, керосин, бензин, растительное масло и др.).
Если жидкости отличаются по полярности незначительно, то они ограниченно растворяются друг в друге, образуя двухслойные системы, например, вода – анилин.
Если в систему, состоящую их двух практически не растворимых жидкостей, ввести третье вещество, способное растворяться в каждой из них, то растворенное вещество будет распределяться между обеими жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них.
Отсюда вытекает закон распределения , согласно которому отношение концентраций вещества, распределяющегося между двумя несмешивающимися жидкостями при постоянной температуре, остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества.
С 1 /С 2 = k ,
где С 1 и С 2 – концентрация растворенного вещества в 1-м и 2-м растворителях;
k – коэффициент распределения.
Закон распределения широко используется в процессах экстрагирования – извлечения вещества из раствора другим растворителем, не смешивающимся с первым . Закон распределения позволяет рассчитывать количество извлеченного и оставшегося в растворе вещества после однократного или многократного извлечения растворителем заданного объема при данной температуре:
где m 1 – масса вещества, оставшегося в растворителе 1 после однократного извлечения его растворителем 2;
m о – исходное количество вещества в растворителе 1.
V 1 и V 2 – объем растворителей 1 и 2;
При многократном извлечении уравнение 1 примет вид:
где n – число извлечений.
При экстрагировании никогда не удается полностью извлечь вещество полностью. Но полнота извлечения будет больше, если раствор обрабатывать многократно малыми порциями растворителя, отделяя каждый раз полученный экстракт, чем при однократной обработке раствора большой порцией растворителя.
Экстракция применяется во многих областях техники и лабораторных исследованиях. На экстракции основано извлечение сахара из свеклы, масел из семян, многих веществ при обработке пищевых продуктов (пассирование овощей), получение фармацевтических препаратов. Так, пенициллин и ряд других антибиотиков нельзя концентрировать выпариванием, так как они разрушаются при нагревании. Для получения концентрированных растворов антибиотиков проводят экстракцию бутил- или этилацетатом.
Студентам III курса технологического факультета
Для выполнения лабораторной работы
По физической химии на тему:
«Закон распределения. Жидкостная экстракция»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ : изучение процесса жидкостной экстракции одного из основных процессов пищевых технологий.
ЗАДАЧА РАБОТЫ : приобретение практических навыков в проведении лабораторных исследований, обработке экспериментальных данных аналитическим и графическим методами.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из частных случаев трехкомпонентных систем является следующий: две жидкости взаимно нерастворимы, а третий компонент способен растворяться и в одной и в другой. При достижении равновесия в системе происходит распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкими фазами в определенном соотношении, качественно характеризующемся константой распределения.
Наиболее известный пример применения закона распределения – экстрагирование, т. е. извлечение вещества из раствора подходящим растворителем, который не смешивается с первым и в то же время растворяет извлекаемое вещество в большем количестве, чем первый. Для многих органических веществ таким растворителем является эфир, а неорганических – вода. Для полноты извлечения экстрагируемое вещество переводят в то молекулярное состояние, в котором оно находится в обеих фазах. Так, например, при извлечении слабой органической кислоты выгодно понизить степень ее диссоциации добавлением минеральной кислоты. В этом случае недиссоциированные молекулы органической кислоты извлекаются полнее. Растворимость же органических веществ в воде существенно снижается в присутствии солей – эффект высаливания.
Экстракция – один из самых распространенных процессов в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Экстрагирование широко используется для извлечения эфирных масел из растительного сырья и их очистки. В виноделии процесс экстракции используется при получении сырья для производства вермутов, переработки виноградных жмыхов.
I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. Закон распределения .
Если какое-либо вещество растворимо в двух несмешивающихся жидкостях, то при его растворении в смеси двух таких жидкостей оно распределяется между ними в отношении, определяемом законом Нернста-Шилова:
Растворяемое вещество распределяется между двумя несмешивающимися жидкостями в постоянном отношении концентраций, не зависящем от количества добавляемого растворимого вещества.
K = C1/ C2 (1), где С1 и С2 – концентрации вещества в 1-м и 2-м растворителях.
Закон выполняется при постоянной температуре, достаточном разбавлении растворов, при отсутствии взаимодействия растворенного вещества с растворителем.
В реальных условиях при растворении веществ происходят процессы ассоциации и диссоциации молекул растворяемого вещества.
Случай 1. Вещество ассоциировано в одном из растворителей за счет образования водородных связей с возникновением димеров:
Или полимеров
Закон распределения в этом случае будет выглядеть следующим образом:
К=С1 N/ C2 или (2)
Здесь N=М1/М2 – отношение средних молекулярных масс вещества в одном и другом растворителях.
Если преобразовать уравнение (2), прологарифмировать его, получим
Lg K = n lg C1 – lg C2 или
Lg C2 = n lg C1 – lg K (3)
– это прямая зависимости Lg C2 = F(Lg C1)
Уравнение позволяет графически определять N и К из экспериментальных данных.
Случай 2. В одном из растворителей (чаще всего в воде) вещество диссоциировано, а в другом (органическом) ассоциировано.
Закон распределения принимает вид:
A-степень диссоциации.
Пример 1. При распределении фенола между водой и бензолом получены следующие данные:
С1 (Н2О), кмоль/дм3 0,0316 0,123 0,327 0,750
С2 (С6Н6), кмоль/дм3 0,0077 0,159 0,253 0,390
Вычислить значение К и N графически.
