К- константа распределения

Практически несмешивающиеся жидкости

Ограниченная растворимость

Неограниченная растворимость

(вода — этанол),

(вода — фенол),

(вода — бензол).

Растворимость жидкости в жидкости обычно увеличивается с повышением температуры и практически не зависит от давления. В случае ограниченно растворимых жидкостей существует критическая температура после которой происходит полная взаимная растворимость. Например, для системы вода – анилин верхняя критическая температура равна 168 ^оС.

4.4 Экстракция

В случае несмешивающихся жидкостей при внесении третьего компонента, растворимого в обоих жидкостях, происходит распределение его между двумя жидкостями в определенном соотношении концентраций (закон распределения)

К = С₁/С₂ (3.7)

где С₁ и С₂ концентрация третьего компонента соответственно в первом и втором растворителях,

Данное явление широко используется на практике и называется экстрагирование (извлечение). Например, константа распределения йода между хлороформом и водой равна 130, то есть после установления равновесия концентрация йода в хлороформе будет в 130 раз выше чем в воде. Если заменить слой хлороформа на чистый хлороформ, то распределение обратно станет равным 130 и после третьего экстрагирования концентрация йода в воде станет практически равной нулю.

ЛЕКЦИЯ № 4

«РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ»

1 Свойства растворов неэлектролитов

Неэлектролиты – это вещества, растворы которых не проводят электрический ток. В растворенном состоянии они сохраняют молекулярную структуру. Как правило, это органические соединения (спирт, глюкоза, и т.д.).

Важной характеристикой раствора является давление паров растворителя и растворенного вещества над раствором, так как плавление, кипение и другие процессы, приводящие к фазовым переходам, протекают при определенных значениях давлений паров над раствором.

Далее мы рассмотрим влияние концентрации растворенного вещества на изменение давления пара над раствором и соответственно на изменение температур кипения и замерзания растворов, а также осмотического давления.

1.1 Закон Рауля

Рассмотрим двухкомпонентный раствор:

1) растворитель – летучее вещество,

2) растворенное вещество ­– нелетучее и не диссоциирующее на ионы.

Летучие вещества – это вещества которые можно перевести в газообразное состояние при атмосферном давлении.

Количественно равновесное состояние между жидкостью и паром характеризуется давлением насыщенного пара. Обозначим:

р₀ – давление насыщенного пара над чистым растворителем,

р – давление насыщенного пара над раствором.

Молекулы нелетучего компонента препятствуют улетучиванию из раствора молекул растворителя (какая-то часть поверхности просто занята ими), т.е. р₀ > р. Таким образом, давление насыщенного пара растворителя над раствором ниже, чем над чистым раствори­телем. Разность между этими величинами

(р₀ - р) – абсолютное значение понижения давления пара растворителя над раствором. Если эту величину разделить на значение давления пара чистого растворителя, то получим

( ) – относительное понижение давления пара растворителя над раствором.

В 1887г французский ученый Ф.М. Рауль открыл закон, согласно которому относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Математически закон Рауля выражается уравнением

. (4.1)

Из закона Рауля следует, что понижение давления пара над раствором не зависит от природы растворенного вещества, а только от количества частиц растворенного вещества.

Уменьшение давления пара над раствором приводит соответственно к повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания раствора.

1.2 Криоскопический и эбуллиоскопический законы Рауля

Данные законы позволяют рассчитывать повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания растворов нелетучих неэлектролитов.

Температура кипения – это температура при которой давление пара над раствором становится равным внешнему давлению. Для достижения раствором данного давления пара растворителя требуется более высокая температура в сравнении с чистым растворителем.

Температура замерзания – это температура при которой давление пара над раство­ром станет равным давлению насыщенного пара над кристаллами растворителя. Для раствора, в сравнение с чистым растворителем, температура замерзания ниже.

В практических расчетах удобно пользоваться криоскопическим и эбуллиоскопическим законами Рауля:

- криоскопический закон, (4.2)

- эбуллиоскопический закон, (4.3)

где – понижение температуры замерзания,

К – криоскопическая постоянная растворителя,

– повышение температуры ки­пения,

Э – эбулиоскопическая постоянная растворителя,

С_m — моляльная концентрация растворенного вещества.

Значения криоскопических и эбулиоскопических констант для воды и бензола приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Криоскопические и эбулиоскопические константы воды и бензола

Раствори- тель	tКИП, °С	КЭ, град·моль-1·кг	tЗАМ, °С	ККР, град·моль-1·кг
Вода – Н2О Бензол – С6Н6	80,1	0,52 2,53	5,5	1,86 5,12

Физический смысл криоскопических и эбулиоскопических по­стоянных следующий. Они показывают, на сколько градусов выше кипит и на сколько градусов ниже замерзает одномоляльный ра­створ (содержащий I моль растворенного вещества на 1кг растворителя) по сравнению с температурами кипения и за­мерзания чистого растворителя.

Криоскопические и эбуллиоскопические константы не зависят от природы растворенного вещества, а являются характеристиками ра­створителя.

Способность растворов замер­зать при более низкой температуре, чем растворитель, используется при приготовлении низкозамерзающих водных растворов, которые называют­ся антифризами. В качестве основных компонентов могут быть использованы многоатомные спирты – этиленгликоль или глицерин.

Например, водный раствор этиленгликоля (58 %-ный по массе) замерзает при температуре -50 °С.

2 Осмос

Осмос – переход раствори­теля из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор.

Осмос обусловлен диффузией молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, которая пропускает только молекулы растворителя. Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентриро­ванного раствора в более концентрированный, поэтому концентриро­ванный раствор разбавляется, что приводит к увеличению высоты столба жидкости на величину h (рисунок 4.1).

Осмос прекращается когда внешнее давление уравновешивает осмотическое давление.

Если создать внешнее давление выше осмотического, то растворитель из более концентрированного раствора будет переходить в разбавленный раствор (или чистый растворитель). Этот процесс называется обратным осмосом. Он используется для очистки природных и сточных вод, для получения питьевой воды из морской.