Закон распределения экстракция. Методические рекомендации для выполнения лабораторной работы по физической химии «закон распределения
Процесс экстракции почти всегда можно описывать как обычную, хотя и двухфазную, химическую реакцию. Реакции экстракции практически всегда обратимы, поэтому к экстракционным процессам можно приложить закон действия масс. Появляется возможность говорить о константе равновесия реакции экстракции, которую в данном случае называют константой экстракции. Процесс экстракции веществ, способных диссоциировать, можно представить в следующем виде:
Индексы обозначают органическую (о) и водную (в) фазы. Органический реагент (HA) растворим в органическом растворителе. Концентрационная константа равновесия этой реакции (константа экстракции - Kех)
Записывать выражение для константы экстракции можно только в том случае, когда известны состав экстрагирующегося соединения исходных компонентов. Наряду с законом действия масс к экстракционным системам применим закон распределения, согласно которому при постоянной температуре и давлении отношение равновесных концентраций вещества в двух несмешивающихся фазах является постоянной величиной, не зависящей от общей концентрации вещества. Эта величина называется константой распределения:
где [A]о и [A]в - равновесные концентрации вещества в органической и водной фазах. Однако обычно экстрагируемое вещество присутствует в разных формах. Соединения могут участвовать в различных химических превращениях комплексообразования, гидролиза, полимеризации, диссоциации и т.д. В связи с этим отношение общих концентраций вещества в органической и водной фазах не является константой. Для каждой отдельной формы вещества закон распределения должен выполняться, то есть [А]о / [А]в = . Из этого следует, что необходимы количественные характеристики, которые можно было бы измерить в прямом эксперименте. Это прежде всего коэффициент распределения D, представляющий собой отношение общей концентрации вещества в органической фазе к общей концентрации его в воде:
Рассчитать величину D можно определив любым подходящим методом концентрации и. При экстракции металлов используют для этого методы атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии, вольтамперометрию, спектрофотометрию, метод радиоактивных индикаторов . В отличие от константы распределения в случае коэффициента распределения нет требования постоянства и равенства форм существования вещества в общих фазах и требования равновесности системы.
Коэффициент распределения также можно записать следующим образом
Коэффициент распределения описывает способность вещества экстрагироваться, но не определяет реальную полноту извлечения, которая зависит от соотношения объемов органической и водной фаз. При одном и том же коэффициенте распределения вещество извлекается тем полнее, чем больше объем органической фазы (при постоянном объеме водной). Долю проэкстрагированного вещества выражают величиной степени извлечения:
где R - степень извлечения вещества из водной фазы в органическую; Cв и Cо - количество вещества в органической и водной фазах. Степень извлечения чаще всего выражают в процентах
где Vо и Vв - объемы органической и водной фаз. В случае равенства объемов фаз (Vо = Vв) получаем
Для хорошего разделения недостаточно только того, чтобы коэффициент разделения был высоким. Необходимо также, чтобы произведение констант их распределения было близко к единице. В практике используют также кратность концентрирования (S АВ):
К числу важных факторов, влияющих на экстракцию, относится время контакта фаз. Практическая важность вопроса связана, прежде всего, с тем, что во многих экстракционных системах равновесие достигается не сразу. Скорость экстракции зависит от скорости химических реакций, протекающих в системе, в частности от скорости массопереноса вещества между двумя фазами. При этом для ускорения экстракции необходимо использовать различные факторы. Если наиболее медленным является массоперенос, следует увеличить скорость перемешивания фаз. На скорость химических реакций можно влиять увеличивая концентрации взаимодействующих компонентов, подавляя мешающие реакции, например гидролиза и полимеризации .
Таким образом, на практике при разработке экстракционных методов необходимо изучать скорость реакции. Для этого следует установить время достижения равновесия. Обычно это делают по кинетическим кривым, например, зависимости коэффициента распределения от времени контакта фаз (рис. 1). Изучение зависимости степени извлечения от времени контакта фаз может не дать правильной информации об установлении равновесия, если коэффициенты распределения достаточно высоки, что видно из рис. 2. Хотя коэффициенты распределения продолжают расти, то есть равновесия нет, степень извлечения составляет 100% и может создаться впечатление, что система находится в равновесии.
Рис. 1.
Рис. 2.
Одним из интересных в теории экстракции является вопрос о том, где образуется экстрагирующееся соединение - в водной фазе, в органической или на границе их раздела. В разных системах это может быть по-разному, но изучение скорости экстракции, например, различными растворителями, позволяет решить этот вопрос.
Одним из способов решения может служить изучение кинетики экстракции внутрикомплексных соединений различными растворителями. Растворители нужно выбирать таким образом, чтобы константы распределения реагента () в них различались. Условия проведения экстракции должны быть такими, чтобы определяющей в кинетическом отношении была скорость химического взаимодействия. При этом рН, концентрация реагента должны быть одинаковы. Если соединение образуется в водной фазе, скорость экстракции будет тем больше, чем выше равновесная концентрация органического реагента в водной фазе. Чем ниже, тем больше концентрация. Иными словами, чем хуже растворим экстрагент в органическом растворителе, тем больше скорость экстракции. Если соединение образуется на границе, то, чем лучше растворим реагент в органическом растворителе, тем больше будет скорость экстракции. Образование соединения в органической фазе вряд ли возможно, так как для этого экстрагируемый элемент должен каким-то другим путем перейти в органический растворитель.
В статье приводится сравнительная характеристика экстракционных свойств некоторых полярных органических растворителей (этиленгликоль, ДМФА, ДМСО, ацетонитрил) и ионных жидкостей (ацетат N-метилбутилимидазолия и тетрафторборат N-бутилпиридиния). Во введении приведены достоинства ионных жидкостей как растворителей - это практически нулевое давление пара и крайне малая растворимость в алифатических углеводородах. А так как большинство ионных жидкостей содержат органический катион, способный координировать электродонорные частицы можно их использовать как экстрагенты полярных и электродонорных органических веществ. В данной работе исследовали многокомпонентный стандартный раствор ПАУ. Разделяли их методом ВЭЖХ. Величину константы распределения веществ Р рассчитывали по следующей формуле
где и - площадь пиков на хроматограмме равновесного октанового раствора и исходной хроматограмме;
и - объемы полярной и октановой фаз.
Было обнаружено, что константа распределения падала с ростом числа ароматических колец.
Несмотря на все достоинства, использовать ионные жидкости для извлечения ПАУ нерационально, так как они уступают по свойствам ДМФА и ДМСО. ДМФА и ДМСО широко используются в экстракции. Они имеют в молекулах электронодефицитные центры, что способствует эффективной сольватации молекул ПАУ. В результате происходит р-комплексообразование и сольватация протонов ядра. Благодаря данному свойству ДМФА и ДМСО применяют для очистки различных экстрактов.
На эффективность разделения также влияет и добавление солей. В работе рассмотрена экстракция ароматических углеводородов. Для изучения экстрагируемости ПАУ при 293К были изучены экстракционные системы типа н-гептан - раствор хлорида N,N"-бутилметилимидазолия в метиловом спирте с концентрацией органической соли 1, 2, 3, 4, 5 моль/л. При возрастании концентрации хлорида N,N"-бутилметилимидазолия повышается структурированность полярной фазы (инкримент метиленовой группы возрастает примерно на 0,1 единицы). ПАУ вели себя следующим образом. С ростом концентрации соли происходит существенное падение констант распределения ароматических углеводородов. При этом наиболее резко падают константы распределения многокольцевых аренов, а сам ряд экстрагируемости углеводородов с ростом числа ароматических колец (чем больше колец, тем меньше константы распределения), соответствует ряду для наиболее активных и селективных растворителей ароматических углеводородов - ДМФА и ДМСО.
Наблюдаемые эффекты обусловлены, с одной стороны, специфическими сольватационными эффектами между солью и аренами, которые могут быть обусловлены р-комплексообразованием, водородными связями и т.д. и эффектом выталкивания гидрофобных углеводородов полярной фазой, с другой стороны. Наличие двух противоположнонаправленных эффектов объясняет наличие слабовыраженных минимумов в зависимости констант распределения ПАУ от концентрации хлорида N,N"-бутилметилимидазолия в метиловом спирте.
По результатам данной работы можно сделать вывод, что при повышении концентрации хлорида N,N"-бутилметилимидазолия в метиловом спирте происходит существенное увеличение отношения константы распределения н-гептана к константам распределения ПАУ, которое приводит к увеличению разделяющей способности данной экстракционной 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 постоянно при данной температуре» - закон распределения Нернста (1.13).
где
- концентрации третьего компонента вI
и II
фазах; К - коэффициент
распределения.
Если растворенное вещество диссоциирует или ассоциирует в одном из растворителей, то уравнение Нернста имеет вид:
= К, (1.14)
Для нахождения Кип логарифмируем уравнение (1.14) 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.
Закон распределения Нернста 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 так далее) 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 (1.15):
, (1.15)
где х - доля неизвлеченного вещества в рафинате;
V - объем исходного раствора;
- объем экстрагента;
К - коэффициент распределения
;
п - число экстракций.
Как видно из уравнения (1.15), 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.
Часто в справочнике дается коэффициент распределения как отношение концентраций в рафинате к экстракту, то есть величина, обратная той, что должна быть в уравнении (1.14). В этом случае следует взять величину обратную справочной и использовать в уравнении (1.15), или использовать другое уравнение, где
1.10 Примеры решения задач
Задача 1
50 г водного раствора FeCl 2 с моляльностью 1,97 моль/кг с плотностью 1,332 г/см 3 смешали со 150 мл 5 масс. % раствора FeCl 2 с плотностью 1,038 г/см. Выразить состав полученного раствора всеми возможными способами.
Дано:
Раствор 1 : Раствор 2:
=50r
=
150 мл
b
=1,97моль/кг
=
1,332 г/см 3
=
1,038 г/см 3
b 3 = ? W 3 = ? Х 3 = ?
Решение:
Для каждого раствора найдем массу FeCl 2 и Н 2 0 .
Раствор
1
:
b
=
1,97 моль/кг, то есть на 1 кг воды приходится
1,97 моль FeCl
2
,
=
l,97M FeCl
2
=
1,97∙127,5 =251 г;
= 1000 г; m p . pa =
1251 г
1251 г (р-ра) - 251г FeCl 2 ;
50 г р-ра - х F е Cl 2
г.
Итак, в растворе
1:
= 10 г;
= 50 – 10 = 40 г.
Раствор
2
:
m
р. ра
=∙V
= 1,038 ∙ 50 =156 г;
= 156-8= 148 г
Раствор 3
:
m
р- pa
= 50 + 156 = 206 г;
=10
+ 8=18г
m H 2 O =40+ 148 = 188 г
b
Задача 2
При 100 °С тетрахлорэтилен имеет давление насыщенного пара 400 мм.рт.ст., а бромбензол - 196 мм.рт.ст.. Найти состав раствора, кипящего при 100 °С под давлением 360 мм.рт.ст., и состав насыщенного пара над раствором. Считать раствор идеальным.
=400 мм.рт.ст.
= 196 мм.рт.ст.
P общ = 360 мм.рт.ст.
Решение:
Кипение наступает тогда, когда внешнее давление и давление насыщенного пара равны. Следовательно, 360 мм.рт.ст. - это и внешнее давление и общее давление насыщенного пара над раствором.
;
Задача 3
При 25 °С константа распределения иода между водой и амиловым спиртом равна 0,00435. Сколько граммов иода останется в трех литрах водного раствора (С = 1,3 г/л) после двухкратной экстракции амиловым спиртом, если всего израсходовано 400 мл спирта?
К
= 0,00435 =
=1,3г/л
= 400/2 = 200 мл = 0,2 л
= ?
Решение:
Экстрагентом является амиловый спирт. Следовательно, данная константа распределения является обратной, требуемой в уравнении для расчета эффективности экстракции:
Рассчитываем константу распределения:
- доля иода, оставшегося в рафинате.
Масса растворенного иода в исходном растворе:
m = m 0 x = 3,9 . 0,0037 = 0,014 г - масса иода, оставшегося в рафинате
Задача 4
Закрытый сосуд объемом 5,0 л содержит газ Н 2 S при температуре 20 0 С и давлении равном 740 мм. рт. ст. Какой объем воды должен быть добавлен, чтобы парциальное давление Н 2 S понизилось до 500 мм. рт. ст.? Коэффициент абсорбции Н 2 S (α) равен 2,58.
= 5,0 л = 5,0∙10 -3 м 3
T 1 = T 2 = 293 K
P = 740 мм.рт.ст.= 0,984∙10 5 Па
- ?
Решение:
Понижение давления происходит за счет растворения части Н 2 S в воде. Рассчитаем исходное количество Н 2 S и остаточное количество Н 2 S после растворения его в воде.
Пренебрежем изменением объема газа за счет добавления воды, то есть V 2 = V 1 .
Рассчитаем количество Н 2 S, растворенное в воде:
Рассчитаем V 0 – объем Н 2 S, приведенный к нормальным условиям (Р = 1,0133∙10 5 Па, Т = 273,15 К), который растворен в воде:
Задача 5
Метан плавится при температуре 90,5 К, его теплота плавления равна 70,7 Дж/моль. Определить растворимость метана в жидком азоте при температуре 50 К.
Решение:
Обычно мы знаем метан как газ, но в данном случае речь идет о твердом метане при температуре ниже его температуры плавления. Следовательно, надо найти растворимость твердого вещества в жидкости, что можно выполнить по уравнению Шредера:
Лекция 10. Распределение веществамежду двумя фазами. Экстракция.
.
2. Экстракция, ее виды. Уравнение экстракции.
Принципы получения настоек, отваров.
Лектор: канд. пед. наук, доцент Григорьева Марина
Викторовна
1. Закон распределения Нернста
Если какое-либо вещество растворимо в двухнесмешивающихся жидкостях, то при его
растворении в смеси двух таких жидкостей
оно распределяется между ними согласно
закона распределения Нернста:
Отношение концентраций третьего
компонента между двумя
несмешивающимися жидкостями при
постоянной температуре является
величиной постоянной К = С1/С2, где С1концентрация компонента в растворе 1
жидкости, С2 - концентрация компонента в
растворе 2 жидкости, К – коэффициент
распределения.
1. Закон распределения Нернста
Например, если встряхивать иод с водойи тетрахлорометаном, часть его
растворится в воде, а часть в
тетрахлорометане ССl4. В конце концов
в системе устанавливается
динамическое равновесие.
1. Закон распределения Нернста
Независимо от того,какое количество
иода используется в
эксперименте,
окончательное
отношение
концентраций
оказывается
постоянным.
1. Закон распределения Нернста
Закон распределения выполняется лишь приопределенных условиях, а именно:
1) при постоянной температуре;
2) при достаточном разбавлении обоих
растворов;
3) при условии, что растворенное вещество не
реагирует, не ассоциирует и не
диссоциирует в обоих растворителях.
Закон распределения лежит в основе важного
и весьма распространенного в
лабораторной и промышленной практике
процесса, называемого экстракцией.
2. Экстракция
Экстракция представляет собой извлечениеиз раствора одного или нескольких
растворенных веществ при помощи другого
растворителя (экстрагента), не
смешивающегося с первым.
Для осуществления экстракции необходимо,
чтобы экстрагируемое вещество лучше
растворялось во втором растворителе, чем в
первом. Целью экстракции является
повышение концентрации какого-либо
нужного вещества или освобождение
растворителя от имеющихся в нем примесей,
либо замена растворителя.
2. Экстракция
Экстракция может быть:однократной, когда экстрагент
добавляется в один прием,
дробной - добавление экстрагента
проводится порциями в несколько
приемов.
Экстракцию широко применяют в
фармации для извлечения из
растительного сырья эфирных масел,
алкалоидов и других физиологически
активных веществ.
2. Экстракция
В лабораториях для экстракции частоиспользуют делительные воронки,
например при экстракции эфиром. Для
этого водный раствор с компонентом
соединяют с эфиром в делительной
воронке. Раствор встряхивают и после
отстаивания слои разделяют. Эфир
выпаривают и получают чистый продукт.
2. Экстракция
Делительныеворонки
2. Экстракция
В условиях химического ифармацевтического производства
широко применяют аппараты
экстракторы, действие которых
основано на различных принципах
перемешивания жидкостей и их
раздробления. Используются
тарельчатые, вибрационные,
центробежные и другие типы
экстракторов.
2. Экстракция
Вывод уравнения экстракции:Пусть в растворе, объем которого V0 мл,
находится т0 экстрагируемого
вещества. К этому раствору добавляют
V мл другого растворителя, который с
ним не смешивается. Предположим, что
после первой экстракции в первом
растворителе осталось т1 г
экстрагируемого вещества, тогда
концентрация в нем будет С1 = т1/ V0, а
концентрация во втором растворителе
С2 = (т0 - т1)/ V.
2. Экстракция
Пользуясь законом распределения, можнонаписать:
m1
V0
С1
m1V
К
С 2 m0 m1 V0 (m0 m1)
V
KV0
m1 m0
V KV0
2. Экстракция
Если первый растворитель с оставшимся внем веществом вторично обработать тем же
объемом V второго растворителя, то,
повторяя предыдущий расчет, получим:
KV0
m2 m1
V KV0
2. Экстракция
Заменив т1 в последнемуравнении, найдем:
Если повторить
экстракцию тем же
объемом второго
растворителя п раз, то
количество оставшегося
в первом растворителе
вещества будет
KV0
m2 m0
V KV0
2
KV0
mn m0
V KV0
n
2. Экстракция
Расчеты с помощью полученногоуравнения показывают, что экстракция
будет более полной, если разделить
весь объем растворителя на порции,
чем экстрагировать сразу всем
объемом растворителя.
2. Экстракция
Особенно широко экстракционные методыиспользуют при анализе растительного
лекарственного сырья, а также для получения
настоев, отваров, настоек, экстрактов
лекарственных веществ. В данном случае под
экстрактом подразумевается лекарственная форма,
получаемая экстракционным методом в соответствии
с определенными требованиями.
Согласно Государственной Фармакопее XI издания
настои и отвары -это жидкие лекарственные
формы, представляющие собой водные извлечения
из лекарственного растительного сырья, а также
водные растворы сухих или жидких экстрактов
(концентратов).
2. Экстракция
Экстракты - концентрированные извлеченияиз лекарственного растительного сырья.
Настойки - окрашенные спиртовые или
водно-спиртовые извлечения из
лекарственного растительного сырья,
получаемые экстракцией без нагревания.
При получении настоев и отваров проводят
экстракцию лекарственных веществ из
измельченного лекарственного сырья водой,
при получении экстрактов- водой, этанолом и
другими экстрагентами.
2. Экстракция
Для приготовления настоев и отваров экстракциюпроводят следующим образом. К измельченному
лекарственному растительному сырью прибавляют
требуемый объем воды при комнатной температуре,
смесь выдерживают на кипящей водяной бане при
перемешивании (настой -15 мин, отвары - 30 мин),
охлаждают при комнатной температуре (настои - 45
мин, отвары - 10 мин), фильтруют и получают
фильтрат, который при необходимости разбавляют
водой.
Содержание фармакологически активных веществ в
полученных настоях и отварах определяют
различными аналитическими методами, ре
комендуемыми в соответствующих фармакопейных
статьях.
Если к системе из двух взаимно нерастворимых жидкостей добавлять третью жидкость, способную растворяться, то добавляемая жидкость будет распределяться между обеими жидкими слоями.
Добавление третьего компонента может увеличить или уменьшить взаимную растворимость компонентов. Это свойство бинарных систем может быть использовано в аналитических целях. Большое практическое значение имеют трехкомпонентные смеси, в которых растворенное вещество распределено между двумя несмешивающимися растворителями.
В состоянии равновесия химический потенциал растворенного распределенного вещества (m) в обоих несмешивающихся слоях должен быть одинаковым, т.е.
Известно, что m = m 0 + RTlna,
где m 0 – стандартный химический потенциал растворенного вещества,
а – активность компонента в растворе.
Тогда условие равновесия можно записать
m 3 0 ¢ + RTlna 3 ¢ = m 3 0 ¢¢ + RTa 3 ¢¢,
где один штрих характеризует первый растворитель, два штриха – второй.
Отсюда
Учитывая, что m 3 0 ¢ и m 3 0 ¢¢ при T – const являются постоянными, то последнее выражение можно написать так:
где К 0 – термодинамическая константа распределения.
Это уравнение является выражением закона распределения Нернста- Шилова: третий компонент, добавленный к системе, состоящей из двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей, распределяется между обоими жидкими слоями в определенном, постоянном при данной температуре отношении.
Т.к. a = c . g
Уравнение закона распределения можно записать и в другом виде:
,
где К – коэффициент распределения.
Коэффициентом распределения называется отношение общей концентрации вещества в одной жидкой фазе к его концентрации во второй жидкой фазе в условиях равновесия:
С изменением концентрации распределяемого вещества в двух равновесных жидких фазах меняется коэффициент распределения.
При с 3 ¢ ® 0 и с 3 ¢¢ ® 0 g 3 ¢ ® 1 и g 3 ¢¢ ® 1, тогда .
Этот закон применим в том случае, если распределяемое вещество в обоих растворителях имеет одинаковую молекулярную массу.
Вспомним криоскопический и эбулиоскопический законы, где требуется введение изотонического коэффициента, который учитывает диссоциацию молекул или их ассоциацию.
В таких случаях следует пользоваться другим выражением:
если величина частиц распределяемого вещества в одном растворителе (¢) в двое меньше, чем в другом (¢¢), то:
,
т.е. когда распределяемое вещество в первом жидком слое остается в молекулярной форме, а во втором – диссоциирует на ионы:
АВ А + + В – .
А если , то общее выражение принимает вид: .
Экстракция. Закон распределения лежит в основе экстракционного метода извлечения вещества. Экстракцией называется процесс извлечения растворенного вещества из раствора с помощью второго растворителя, практически не смешивающегося с первым.
Этот метод широко используется в фармацевтической промышлен-ности, в металлургии цветных и редких металлов, в атомной технологии и радиохимии, а также в нанотехнологии.
Для увеличения полноты извлечения вещества из водного слоя органическим растворителем экстрагирование проводят последовательно небольшими порциями экстрагента (n), при этом чем больше число последовательных стадий извлечения (n), тем больше полнота извлечения при одном и том же количестве взятого экстрагента. Эффективность экстракции можно рассчитать, пользуясь следующими рассуждениями и выводами:
Допустим, что в V 0 (л) водного раствора находится g 0 кг вещества, подлежащего извлечению. Если после первого экстрагирования в водном растворе остается g 1 кг неизвлеченного вещества, то при установлении равновесия в экстракт перейдет (g 0 – g 1) кг вещества. Коэффициент распределения.
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.