книги / Физическая химия. Термодинамика растворов. Фазовые равновесия

Методика выполнения работы и ее обоснование

В данной работе исследуют процесс распределения йода между водой и органическим растворителем гексаном. Закон распределения (см. краткие теоретические сведения к лабораторной работе № 3) с учетом формул (3.1)–(3.3) можно записать в виде уравнения

со.р

K вJ.2р n , (4.1) (cJ2 )

где сJо2.р – равновесная концентрация йода в органическом растворе, моль/л;

сJв2.р – равновесная концентрация йода в водном растворе,

моль/л.

Равновесную концентрацию йода в органических растворах находят фотоколориметрическим способом по калибровочному

графику, который строят в координатах D – сJо2.р , где D – оптиче-

ская плотность раствора. Для построения калибровочного графика необходимо перед началом опытов измерить оптическую плотность исходных растворов.

Равновесную концентрацию йода в водных растворах можно рассчитать по формуле

где с0,о.рJ2 – концентрация йода в исходном органическом растворе,

моль/л;

Vв.р, Vо.р – соответственно объемы водного и органического растворов, см3.

Для определения величины n в уравнении (4.1) строят график в координатах ln сJо2.р f (ln cJв2.р. ). Величина n численно равна тангенсу угла наклона прямой.

21

Порядок выполнения работы

1.Готовят исходные органические растворы, используя 0,0125 М раствор йода в гексане и чистый гексан (см. схему составления растворов).

2.Измеряют оптическую плотность органических растворов. Для этого в фотоколориметр помещают две предварительно протертые спиртом кюветы, одну заполняют чистым растворителем гексаном (примерно 3/4 объема кюветы), а другую – анализируемым раствором. Измерения начинают с более разбавленного раствора, кювету после предыдущего измерения не моют.

3.Строят график в координатах D = f( с0,Jо.р2 ). Концентрации ис-

ходных растворов рассчитывают исходя из объемов раствора йода

вгексане и чистого гексана.

4.Органические растворы помещают в колбы с притертыми пробками и добавляют к каждому 200–250 см3 дистиллированной воды. Внимание! Время контакта фаз с момента сливания двух растворов до момента их разделения должно быть одинаковым во всех опытах. Колбы помещают в аппарат для встряхивания на 30–40 мин.

5.После окончания встряхивания содержимое колб переносят

вделительные воронки и отстаивают в течение 10 мин, после чего отделяют водный слой от органического. При разделении необходимо, чтобы часть органического раствора осталась в шейке делительной воронки (для исключения попадания воды). Водные растворы выливают.

6.В органических растворах определяют равновесную концентрацию йода. Для этого вновь измеряют их оптическую плотность

и с помощью калибровочного графика находят значение сJо2.р . Вни-

мание! Все органические растворы выливают в специальную емкость.

7. Концентрацию йода в водном растворе рассчитывают по формуле (4.2). Заполняют таблицу.

22

8. Строят график в координатах ln сJо2.р. f (ln cJв2.р. ) , определя-

ют величину n в уравнении (4.1).

9. Рассчитывают коэффициент распределения K (уравнение (4.1)), делают вывод о выполнимости закона распределения.

Рекомендуемый вид таблицы:

Схема составления растворов

23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Многократная экстракция йода из водного раствора органическим растворителем

Цель работы

Провести трехкратную экстракцию йода из водного раствора, определить коэффициент распределения йода между водой и четыреххлористым углеродом. Сравнить эффективности однократной, трехкратной и непрерывной экстракций.

Вопросыколлоквиума

1.Растворы: общая характеристика, классификация, способы выражения концентрации.

2.Парциальные молярные характеристики растворов. Уравнения Гиббса – Дюгема.

3.Химический потенциал. Зависимость химического потенциала от концентрации.

4.Условие равновесия между фазами и условия перехода компонента из одной фазы в другую.

5.Взаимная растворимость жидкостей в двухкомпонентной системе.

6.Закон распределения вещества между контактирующими

фазами.

7.Экстракция.

Приборы и реактивы

1.Фотоколориметр.

2.Водный раствор йода.

3.Экстрагент (четыреххлористый углерод).

24

Методика выполнения работы и ее обоснование

Экстракция – это извлечение какого-либо вещества из раствора с помощью специально подобранного растворителя (экстрагента), не смешивающегося с исходным раствором. Рассмотрим, например, извлечение йода из водного раствора. Йод плохо растворяется в воде, но хорошо растворяется во многих органических растворителях. Если к водному раствору йода добавить органический растворитель-экстрагент, например четыреххлористый углерод СС14, который практически не смешивается с водой, то значительная часть йода перейдет из водного раствора в СС14. Раствор йода в экстрагенте называют экстрактом, а водный раствор с остатками йода – рафинатом.

В основе экстракции лежит закон распределения, согласно которому при постоянной температуре отношение равновесных концентраций вещества в экстракте сэ и в рафинате ср является постоянной величиной:

Величину K называют коэффициентом распределения. Если экстрагируемое вещество в экстрагенте растворяется лучше, чем в воде, то коэффициент распределения больше единицы.

Чем больше величина K, тем лучше экстрагент извлекает растворенное вещество. Величина K зависит от природы экстрагируемого вещества, природы экстрагента и рафината, а также от температуры. При увеличении температуры коэффициент распределения обычно уменьшается. Коэффициент распределения не зависит от количества растворенного веществаиобъемовэкстрагентаирафината.

Установление равновесных концентраций в процессе экстракции происходит довольно медленно. Для ускорения экстракции смесь взбалтывают. После прекращения взбалтывания смесь расслаивается и концентрации в слоях становятся близки кравновесным.

25

Однократная (простая) экстракция

При однократной экстракции весь объем экстрагента Vэ добавляют к водному раствору йода сразу, в один прием.

Допустим, что в объеме воды V0 первоначально растворено n0 моль йода и исходная концентрация йода в воде c0 = n0/V0. После добавления экстрагента количество йода в воде (в рафинате) уменьшается, поскольку nэ моль йода переходит в экстракт. Объем рафината (воды) до и после экстракции остается равным V0.

Величину β = nэ/n0 называют долей извлеченного вещества или степенью извлечения. Чем больше β, тем лучше экстракция.

При однократной экстракции долю извлеченного вещества β рассчитывают по уравнению

Из уравнения видно, что количество извлеченного йода определяется объемом добавленного экстрагента Vэ и коэффициентом распределения K. По мере увеличения порции экстрагента доля извлекаемого вещества стремится к единице, что означает полное извлечение вещества.

Определение концентрации йода в экстрактах

Если экстрагируемое вещество сильно поглощает свет на ка- кой-либо длине волны, то для определения концентрации вещества

врастворе используют метод фотоколориметрии. В методе фотоколориметрии измеряют отношение интенсивностей падающего

и прошедшего света I0/I или оптическую плотность D = lg(I0/I) растворов. Согласно закону Бугера – Ламберта – Бера оптическая плотность раствора является безразмерной величиной и прямо пропорциональна концентрации с светопоглощающего вещества

врастворе D = Вс.

Коэффициент пропорциональности В пропорционален толщине слоя раствора, через который проходит свет, и зависит от длины

26

волны света, природы растворенного вещества и природы растворителя. Молярная концентрация йода в экстрактах сэ пропорциональна оптической плотности экстрактов Dэ:

Йод особенно сильно поглощает свет с длиной волны 490 нм, поэтому измерение оптической плотности проводят на этой длине волны. Отметим, что измерения оптической плотности наиболее точны в интервале 0,1–0,7. Экспериментально удобно измерять оптические плотности экстрактов Dэ, поскольку концентрация йода (а следовательно, иоптическая плотность) вэкстрактевыше, чем врафинате.

Многократная (дробная) экстракция

Количество йода, извлеченного путем однократной экстракции, растет с увеличением объема добавленного экстрагента Vэ (уравнение (5.2)). Добавив достаточно большое количество экстрагента, можно извлечь из раствора требуемое вещество почти полностью. Однако чем больше объем затраченного экстрагента, тем, естественно, больше и затраты, поэтому желательно найти способ, позволяющий извлекать больше вещества при том же объеме затраченного экстрагента. Такой способ существует и называется многократной или дробной экстракцией. В настоящей работе применяется трехкратная экстракция.

При трехкратной экстракции весь объем экстрагента Vэ = 15 см3 делят на три порции: Vэ/3 = 5 см3. К водному раствору (рафинату) добавляют первую порцию экстрагента (5 см3), взбалтывают смесь, дают ей расслоиться и отделяют экстракт. Количество йода в первом экстракте

Как видно из сопоставления уравнений (5.2) и (5.4), первая стадия трехкратной экстракции описывается таким же соотношением, как и простая экстракция с объемом экстрагента Vэ/3.

Затем в тот же самый рафинат, который, естественно, стал содержать меньше йода, чем было первоначально, добавляют вторую

27

порцию экстрагента. Вторая порция отделенного экстракта объемом Vэ/3 не столь богата йодом, как первая. Количество йода во втором экстракте

Наконец, в рафинат добавляют третью порцию экстрагента. Третья порция экстракта (также объемом Vэ/3) содержит еще меньше йода, чем предыдущие порции. В третьем экстракте количество йода

Три последовательных порции экстрагента, по Vэ/3 каждая, в целом извлекают больше вещества, чем одна порция Vэ, добавленная сразу. Следовательно, при заданном количестве затраченного экстрагента эффективность дробной экстракции выше, чем однократной.

Количество йода ni в i-м (i = 1…3) экстракте равно произведению концентрации йода сi в этом экстракте на его объем:

Заменяя концентрации йода сi в экстрактах оптическими плотностями Di = ciBэ имеем

где i – номер стадии.

После логарифмирования получаем

Построив зависимость ln(Di) от номера стадии i, получим прямую линию, наклон которой позволяет рассчитать коэффициент распределения K.

28

Непрерывная экстракция

Чем больше число порций экстрагента (и чем, соответственно, меньше каждая порция), тем эффективнее экстракция. Наиболее эффективной является непрерывная экстракция, при которой экстрагент добавляют маленькими капельками. Технически это осуществляют в специальных аппаратах при противотоке исходного раствора и экстрагента. Капельки экстрагента последовательно «пробулькивают» через рафинат, а когда они «пропитываются» веществом, их отводят из аппарата.

При непрерывной экстракции количество извлеченного вещества возрастает по мере увеличения объема затраченного экстрагента Vэ по закону

Порядок выполнения работы

1.Мерным цилиндром отмеряют V0 = 50 см3 водного раствора йода и наливают его в колбу вместимостью 250 см3.

2.Готовят три порции экстрагента СС14 по 5 см3.

3.К водному раствору йода в колбе добавляют первую порцию экстрагента Vэ = 5 см3 и проводят первую стадию экстракции (i = 1). Для этого колбу закрывают пробкой и энергично перемешивают 2–3 мин, чтобы эффективно диспергировать органический растворитель в воде. Пробку периодически открывают. Это необходимо для снижения давления пара растворителя, повышающегося вследствие его испарения при перемешивании.

4.Переливают содержимое колбы в делительную воронку. Дают отстояться смеси в течение 5 мин в делительной воронке, чтобы жидкости расслоились.

5.Отделяют экстракт с йодом (нижний слой СС14) через кран

впробирку, стараясь, чтобы в нее не попала вода. Рафинат (водный раствор йода, оставшийся после экстракции) переливают обратно

вколбу.

29

6.На фотоколориметре измеряют оптическую плотность D1 первого экстракта. Измерения оптической плотности проводят на длине волны 490 нм.

7.В рафинат (водный раствор йода после первой экстракции) добавляют вторую порцию экстрагента Vэ = 5 см3 и проводят вторую стадию экстракции (i = 2). Экстракт отделяют, а рафинат пере-

ливают обратно в колбу. Измеряют оптическую плотность D2 второго экстракта.

8.Аналогичным образом проводят третью стадию экстракции (i = 3). Измеряют оптическую плотность D3 третьего экстракта.

9.Заполняют таблицу. Строят график зависимости логарифма оптической плотности экстракта ln(Di) от номера i этого экстракта.

10. Строят графики зависимости доли извлеченного вещества

βоднокр от Vэ /V0 при однократной экстракции (5.2) и βнепрер от Vэ /V0 при непрерывной экстракции (5.10).

11. Делают выводы об эффективности однократной, трехкратной и непрерывной экстракций.

Рекомендуемый вид таблицы:

30