Экспериментальная часть. Лабораторная работа «Определение коэффициента распределения бензойной кислоты в системе вода – органический растворитель (изобутанол)»

Лабораторная работа «Определение коэффициента распределения бензойной кислоты в системе вода – органический растворитель (изобутанол)»

Теоретическая часть.

Если к двум несмешивающимся жидкостям прибавить небольшое количество третьего компонента, то после установления равновесия он окажется в той или иной степени присутствующим в обоих слоях, при этом между двумя жидкостями третий компонент окажется распределенным в строго определенных соотношениях.

Закон распределения:

Для каждой рассматриваемой температуры отношение концентраций третьего компонента в двух равновесных жидких фазах является величиной постоянной при различных его концентрациях.

Закон распределения выводится термодинамическим путём. В процессе распределения третьего компонента между двумя нерастворимыми жидкостями условием равновесия является равенство химических потенциалов этого компонента в обеих фазах: .

Химический потенциал вещества в растворе выражается формулой .

Тогда при равенстве химического потенциала распределяемого компонента в первом и во втором растворах получим:

(1)

где m_i^{0(I )}, m_i^{0(II )} – стандартные химические потенциалы компонента в первом и втором растворах (при активностях a_i^{(I )}= 1, a_i^{(II )}= 1, соответственно); a_i^{(I )}, a_i^{(II )} – активности компонента i в первом и втором растворах.

Отсюда

. (2)

Т.к. при постоянной температуре все члены в правой части уравнения постоянны.

Следовательно, при постоянной температуре отношение активностей есть величина постоянная:

(3)

Величина К^о называется термодинамической константой распре­деления. Уравнение (3) показывает, что термодинами­ческая константа распределения не зависит от активностей распределяемого вещества в обоих растворителях, так как при изменении активности компонента в одном растворе изменится активность этого компонента и в другом растворе системы, а их отношение при данной температуре сохранится.

Уравнение закона распределения с учетом выражения для ак­тивностей компонента (4) можно записать в иной форме:

, (4)

где К – коэффициент распределения:

. (5)

Для разбавлен­ных растворов (с_i^(I) ® 0, с_i^(II) ® 0) коэффициенты активности g_i^(II) ®1и g_i^(I) ®1,

тогда:

. (6)

Коэффициент распределения, а, в общем случае, термодинами­ческая константа распределения зависят от природы распределяемо­го вещества, природы растворителей (фаз) и от температуры (Т).

Если распределяемое вещество ассоциирует или диссоциирует в растворителях, то в случае образования разбавленных растворов закон распределения может быть записан в следующей форме:

, (7)

где n - величина, постоянная для данной системы при постоянной температуре, определяемая соотношением:

(8)

где М₁ и М₂ - молекулярные массы распределяемого вещества, соответственно, в первом и втором растворителях.

Для разбавленных растворов справедливо соотношение:

, (9)

где a₁ и a₂ – степени диссоциации или ассоциации распределенного вещества, соответственно, в первой и второй фазах.

Все отклонения от законов идеальных растворов формально учитываются коэффициентами активности. Поэтому, если известны активности распределяемого компонента в двух растворителях, то уравнением (9) можно пользоваться также и при наличии диссоциа­ции или ассоциации молекул в растворе.

Закон распределения относится не только к распределению ве­щества между двумя жидкостями, но имеет более общий характер. Так, известный закон Генри является частным случаем рассматриваемого закона и описывает распределение вещества между газом и жидкостью:

(10)

где К_Г – константа Генри; Р – парциальное давление газа над жидкостью;

с – концентрация газа в насыщенном растворе (растворимость).

Закон справедлив и в случае распределения вещества между контактирующими твердой и жидкой фазами при наступлении состоя­ния равновесия. В последнем случае закон распределения имеет вид:

(11)

где C_i^тв и C_i^ж - концентрации распределяемого вещества в твердой и жидкой фазах при равновесии.

Закон распределения имеет важное теоретическое и практичес­кое значение. С использованием этого закона можно определять степень диссоциации и ассоциации растворенного вещества в том или ином растворителе; активности и коэффициенты активности ве­ществ; константы равновесия химических реакций, протекающих в одной из фаз, и другие величины. Этот закон обосновывает один из важнейших препаративных и технологических процессов – экстрак­цию.

Экстракция – извлечение растворенного вещества из раствора при помощи другого растворителя (экстрагента), практически не ­смешивающегося с исходным раствором.

Экстракция широко применяется в лабораториях и производстве для выделения в более концентрированном состоянии какой-либо составной части раствора или для удаления нежелательной составной части (очистки) исходного раствора. Экстракция может быть одно­кратной или многоступенчатой (с применением на каждой ступени свежей порции растворителя – экстрагента). Схема одноступенчатой экстракции приведена на рис.

 

Исходный раствор go; V1

Экстрагент V2

Экстракция при перемешивании до наступления равновесия

Разделение фаз

Рафинат g1; V1 c1 = g1/V1

Экстракт go – g1; V2 с2 = (go – g1)/ V2

Рис.1Схема экстракции

 

При одноступенчатой экстракции исходный раствор, содержащий извлекаемое вещество, перемешивается до наступления равновесия с экстрагентом. После отстаивания экстрагент с извлеченным вещест­вом (экстракт) отделяется от раствора с оставшимся количеством растворенного вещества (рафината).

На основании закона распределения можно рассчитать коли­чество вещества g_n, которое остается в растворе после n экстрак­ций одинаковым объемом экстрагента. Если пренебречь изменениями объемов несмешивающихся растворов, то при установлении равнове­сия для первой ступени экстракции для разбавленных растворов при отсутствии диссоциации или ассоциации имеем:

(12)

где g_o – количество извлекаемого вещества в исходном растворе;

g₁ – количество извлекаемого вещества, оставшегося в раство­ре (рафинате) после однократной экстракции;

(g_o-g₁) – количество вещества, перешедшее в экстрагент при равно­весии;

V₁ – объем раствора, из которого извлекается вещество;

V₂ –объем экстрагента.

 

Из выражения (19) количество вещества, оставшегося в исходном растворе после однократной экстракции, может быть рассчитано по формуле:

(13)

Для второй ступени экстракции таким же объемом V₂ свежей порцией растворителя при равновесии между экстрактом и рафинатом можно записать

(14)

где с′₁ и с′₂ – концентрации распределяемого вещества в экстракте и рафинате после второй ступени экстракции в состоянии равновесия;

g₂ – количество вещества, оставшегося в рафинате после второй ступени экстракции,

отсюда

(15)

Учитывая выражение (20) для величины g₁, получим

(16)

Можно показать, что количество вещества, оставшегосяв растворе после n экстракций, составляет:

(17)

Из полученного уравнения следует, что большей эффективности экстракции (меньшему g_n) соответствуют больший объем экстрагента V₂,больший коэффициент распределения К и увеличение числа экстракций n (n определяет показатель степени дроби, которая меньше 1).

Общее количество вещества, извлеченного при экстрагировании (g_Э):

g_Э = g_o – g_n, (18)

или

(19)

При однократном экстрагировании одним общим объемом nV₂ в растворе в соответствии с формулой (20) остается следующее количество вещества:

(20)

Анализ уравнений показывает, что многократное экстрагирование порциями растворителя более эффективно, чем од­нократное экстрагирование общим объемом экстрагента – растворителя. Это связано с тем, что при каждой новой экстракции раствор с извлекаемым веществом приводится в контакт со свежей порцией экстрагента. В химической технологии многократную экстракцию заменяют экстракцией в противотоке, что обеспечивает эффективное извлече­ние веществ из растворов.

При жидкостной экстракции коэффициен­том распределения условились называть отношения концентрации ве­щества в экстракте к его концентрации в рафинате. Величины коэффициентов распределения приводятся в справочниках.

Наиболее часто встречается извлечение веществ из водных растворов с помощью органических растворителей, мало растворимых в воде. Если в водном растворе экстрагируемое вещество частично диссоциирует, то перед экстракцией его диссоциацию подавляют добавлением электролита с одноименным ионом. Увеличение содержания недиссоциированных молекул в водной фазе способствует переходу вещества в органическую фазу. Для увеличения полноты извлечения экстрагируемого вещества из водной фазы также понижают его растворимость в воде, прибавляя к водному раствору соли (высаливание).

В рассматриваемой ниже лабораторной работе в предлагаемых для эксперимента органических растворителях бензойная кислота имеет неизменную молекулярную массу (не диссо­циирует и не ассоциирует), а её диссоциацией в водном слое пре­небрегают.

При проведении экспериментов используют растворы кислоты малой концентрации, поэтому закон распределения применяют в сле­дующей форме:

(21)

где К – коэффициент распределения уксусной кислоты между данными фазами при температуре эксперимента (комнатной);

с_к^орг. – концентрация кислоты в органической фазе в состоянии равновесия,моль/л;

с_к^водн. – концентрация кислоты в водной фазе в состоянии равнове­сия, моль/л.

 

Экспериментальная часть