Между двумя несмешивающимися жидкостями

Цель работы: изучение распределения вещества между водой (А) и органическим растворителем (В), определение степени диссоциации слабой кислоты в водных растворах.

Реактивы: водный раствор йода концентрацией
0,1 моль/дм³, насыщенный при комнатной температуре водный раствор бензойной кислоты, водный раствор гидроксида натрия (или гидроксида калия) концентрацией 0,01 моль/дм³, органический растворитель (тетрахлорметан, хлороформ, толуол, бензол).

Теоретические сведения

С распределением вещества между двумя практически несмешивающимися жидкостями связан один из распространенных массообменных процессов – жидкостная экстракция. Жидкостная экстракция применяется для выделения целевого компонента (распределяемого вещества), получения концентрированного продукта (экстракта) и рафината по схеме:

сырье + экстрагент ® экстракт + рафинат

Рассматриваемые системы в изобарно-изотермических условиях (p = const, T = const) относятся к моновариантным, так как число степеней свободы, согласно правилу фаз Гиббса (2.10), равно единице (К = 3, Ф = 2, m = 0). Уравнение состояния включает равновесные концентрации распределяемого вещества во взаимодействующих жидких фазах. Причем, равновесная концентрация его в одной фазе является однозначной функцией концентрации во второй. Эта количественная взаимосвязь называется законом распределения Нернста. Для получения выражения его рассмотрим равновесное распределение вещества D между двумя несмешивающимися жидкостями А и В, которое подчиняется требованию равенства химических потенциалов вещества D во взаимодействующих фазах А и В, т. е.

,

, (2.11)

где – стандартные химические потенциалы вещества D в фазах A и B; – активности вещества D в фазах A и B;
Т – температура, К; R – газовая постоянная.

Из (2.11) следует, что в изотермических условиях отношение активностей распределяемого вещества в состоянии равновесия – постоянная величина:

или , (2.12)

где – коэффициенты активности D в фазах B и A;
c^B, c^A – равновесные концентрации распределяемого вещества в фазах B и A.

В тех случаях, когда , закон распределения (2.12) принимает простой вид

. (2.13)

Положение осложняется, если в одной из фаз (например,
в фазе А) вещество D подвергается диссоциации

n ₊D₊ + n _–D_–,

а в другой (например, в B) – ассоциации:

n D^B D_n,

где n – число молекул, образующих ассоциат D_n; n ₊, n _– – число катионов и анионов, образующихся при диссоциации.

В то же время распределяются между фазами только молекулы, не подверженные ни ассоциации, ни диссоциации. В этом случае под c^A и c^B в (2.13) следует понимать равновесные концентрации недиссоциированных и неассоциированных молекул вещества D. Удобно выразить их через полные концентрации и , учитывая диссоциацию в фазе А,

,

и ассоциацию в фазе В

, (2.14)

где a – степень диссоциации D в фазе А; a ' – степень ассоциации D в фазе В.

Целесообразно ввести в (2.14) константу ассоциации K_a, равную

,

откуда следует, что

. (2.15)

Подстановкой (2.15) в (2.13) легко получить общее выражение закона распределения

, (2.16)

часто применяемое в практических расчетах.

В выражении (2.16)

. (2.17)

Из (2.16) и (2.17) можно заключить, что если отношение не зависит от концентрации распределяемого вещества во взаимодействующих фазах, то коэффициент распределения K остается постоянным. В этом случае и подчиняются линейной зависимости

y = a + b x, (2.18)

где ; ; a = ln K; b = n.

Лабораторная работа включает 2 задания.

Задание 1. Установление закона распределения йода между водой и органическим растворителем.

Задание 2. Определение коэффициента распределения бензойной кислоты между водой и органическим растворителем, показателя степени n в (2.16), и степени диссоциации ее в водных растворах.

Порядок выполнения работы

Задание 1.

1. В мерной колбе приготовить рабочий раствор йода в воде (сырье) десятикратным разбавлением исходного раствора и определить в нем концентрацию йода оптическим методом, измеряя оптическую плотность D_нач на фотоэлектроколориметре при длине волны l = 540 нм (зеленый светофильтр). Определить по градуировочной прямой концентрацию йода в растворе .

2. В коническую колбу с пробкой налить V_A = 50 см³ сырья и V_B см³ экстрагента (бензол, толуол, тетрахлорметан); вид экстрагента и его объем в интервале 5-15 см³ выдаются преподавателем. Колбу закрыть пробкой и после 10 мин интенсивного перемешивания в горизонтальной плоскости и расслоения взаимодействующих фаз отобрать пробу рафината для анализа. Определить оптическую плотность рафината D на ФЭК и концентрацию йода в рафинате . Полученные результаты внести в табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.2

Органический растворитель – _________

Оптическая плотность сырья D_нач = _______

Концентрация йода в сырье = ________ моль/дм³

Номер колбы
Объем органического растворителя VB, см^3
Оптическая плотность рафината D
Концентрация йода в рафинате , моль/дм^3
Концентрация йода в органическом растворителе , моль/дм^3
ln
ln
Коэффициент распределения К
Показатель степени n в (2.16)

Задание 2.

1. В 2 сухие колбы с пробками налить по 100 см³ исходного водного раствора бензойной кислоты С₆Н₅СООН и органический растворитель. Вид органического растворителя и его объем V_В в интервале 2-10 см³ указывается преподавателем.

2. После интенсивного встряхивания в течение 10 мин перенести содержимое колбы в 2 сухие делительные воронки и после расслоения фаз отделить водную, слив водный слой из каждой воронки в отдельную сухую колбу.

3. Отобрать по 10 см³ пробы, добавить по 2-3 капли раствора фенолфталеина и титровать раствором гидроксида натрия (или калия) концентрацией 0,01 моль /дм³ до появления устойчивой бледно-розовой окраски. Аналогично определить концентрацию бензойной кислоты в исходном растворе .

Полученные результаты внести в табл. 2.3.

Т а б л и ц а 2.3

Органический растворитель _____________.

Начальная концентрация бензойной

кислоты в водном растворе =__________ моль/дм³

Номер колбы
Объем органического растворителя VB, см^3
Объем раствора NaOН, израсходованного на титрование, см^3
Концентрация бензойной кислоты в растворе после встряхивания, моль/дм^3
Концентрация бензойной кислоты в органическом растворителе , моль/дм^3
Коэффициент распределения K
Показатель степени n в (2.16)

Обработка опытных данных

Задание 1.

1. Определить полную концентрацию йода в органическом растворителе по уравнению материального баланса

, (2.19)

где , – концентрация йода в рабочем растворе и в водном слое после встряхивания колбы, моль/дм³; V_A, V_B – объем водной и органической фаз в колбе для встряхивания, см³.

В (2.19) подстрочный индекс “ _o ” относится к полным концентрациям распределяемого вещества в фазах.

Полученные результаты внести в табл. 2.2.

2. Построить график зависимости = f (). Определить графически значения константы распределения K и показателя степени n в уравнении (2.16). Отсекаемый на оси ординат отрезок (свободный член а в (2.18)) равен ln K и . Показатель степени n есть угловой коэффициент этой прямой.

Задание 2.

1. Рассчитать концентрацию бензойной кислоты в водном растворе с^А по формуле

,

где , V_{пр .} – объемы раствора гидроксида натрия, израсходованного на титрование, и пробы, см³.

2. Определить концентрацию бензойной кислоты в органическом растворителе по уравнению материального баланса

,

где , – полная концентрация бензойной кислоты в исходном растворе и после встряхивания колбы соответственно, моль/дм³; V_A, V_B – объемы водной фазы и органического растворителя соответственно, см³.

Полученные результаты внести в табл. 2.3.

3. Вычислить значения степени диссоциации бензойной кислоты в водных растворах (для обеих колб) a ₁ и a ₂ по формуле

.

В расчетах использовать значение константы диссоциации из [2].

Контрольные вопросы и задания

1. Дать определение понятий «гетерогенная система», «фаза», «компонент».

2. Каковы условия равновесия в гетерогенных системах?

3. Как вычислить число степеней свободы, или вариантность, системы? Применить правило фаз Гиббса к 3-компонентным 2-фазным системам.

4. Получить выражение закона распределения Нернста.

5. Описать методику экспериментального определения коэффициента распределения K и показателя степени n в уравнении (2.16).

Лабораторная работа № 7

Дата добавления: 2015-07-11