3.8 Закон распределения Нернста. Экстракция

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 будет постоянным при данной температуре

= К, это выражение закона распределения Нернста, где

- концентрации третьего компонента в I и II фазах;

К - коэффициент распределения.

Если растворенное вещество диссоциирует или ассоциирует в одном из растворителей, то уравнение Нернста имеет вид:

= К

Для нахождения Кип логарифмируем уравнение 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.

Этот закон 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 т.д.) 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

(3.31)

Где х - доля неизвлеченного вещества в рафинате;

V - объем исходного раствора;

- объем экстрагента;

К - коэффициент распределения

п - число экстракций.

Как видно из уравнения, 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 (). В этом случае следует взять величину обратную справочной и использовать в уравнении ().

3.9 Примеры решения задач

Задача 1. 50 г водного раствора FeCl₂ с моляльностью 1,97 моль/кг с плотностью 1,332 г/см³ смешали со 150 мл 5 масс. % раствора FeCl₂ с плотностью 1,038 г/см . Выразить состав полученного раствора всеми возможными способами.

Дано:

Раствор 1: Раствор 2:

=50r = 150 мл

=1,97моль/кг

= 1,332 г/см^{3 =} 1,038 г/см³

в = ? W = ? x = ?

Решение:

Для каждого раствора найдем массу FeCl₂ и Н₂0.

Раствор 1: ⁼ 1,97 моль/кг, то есть на 1 кг воды приходится 1,97 моль FeCl₂,

⁼ l,97M_FeCl2 ⁼ 1,97∙127,5 =251 г; = 1000 г ; m_p._pa= 1251 г

1251 г (р-ра) - 251г FeCl₂ ;

50 г р-ра - х FеCl₂

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_H2O =40+ 148 = 188 г

Рассчитать молярную концентрацию нет возможности, поскольку неизвестна плотность полученного раствора.

Задача 2. При 100 °С тетрахлорэтилен имеет давление насыщенного пара 400 мм.рт.ст., а бромбензол - 196 мм.рт.ст. при 100 °С. Найти состав раствора, кипящего при 100 °С под давлением 360 мм.рт.ст. и состав насыщенного пара над раствором. Считать раствор идеальным.

Дано:

=400 мм.рт.ст.

= 196 мм.рт.ст.

t = 100 °С

P_общ = 360 мм.рт.ст.

= ? х_т^пар = ?

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 йода 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?

Дано:

К = 0,00435 =

=1,3г/л

п = 2

V= 3 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 йода, оставшегося в рафинате.

Масса растворенного йода в исходном растворе:

m = m_0x = 3,9 0,0037 = 0,014 г - масса йода, оставшегося в рафинате