3.1.4 Экстракция

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

=

(3.10)

где С₁ и С₂ – концентрации третьего компонента в 1 и 2 растворителях,

К – константа распределения.

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 больше, чем в воде. Если заменить слой хлороформа на чистый хлороформ, то распределение обратно станет равным 130, и после третьего экстрагирования концентрация йода в воде уменьшится практически до нуля.

3.2 Растворы неэлектролитов

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

3.2.1 Законы Рауля

Плавление, кипение и другие фазовые переходы для летучего вещества протекают при определенных значениях давлений паров над веществом. При переходе от чистого растворителя к раствору давление пара растворителя над раствором изменяется, что соответственно приводит к изменению температур кипения и замерзания растворов, а также осмотического давления.

Рассмотрим двухкомпонентный раствор:

растворитель – это летучее вещество, которое можно перевести в газообразное состояние при атмосферном давлении;

растворенное вещество­ – нелетучее и недиссоциирующее на ионы (неэлектролит) вещество.

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. Отсюда:

(р₀ – р) – абсолютное значение понижения давления пара растворителя над раствором;

() – относительное понижение давления пара растворителя над раствором.

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

.

(3.11)

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

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

Температура кипения – это температура, при которой давление пара над раствором становится равным внешнему давлению. Для достижения над 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.

Для практических расчетов чаще применяются криоскопический и эбулиоскопический законы Рауля, которые имеют вид:

ΔТзам. = К·Сm – криоскопический закон;	(3.12)
ΔТкип. = Э·Сm – эбулиоскопический закон,	(3.13)

где ΔТзам. – понижение температуры замерзания,

К – криоскопическая постоянная растворителя,

ΔТкип. – 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 3.2.

Таблица 3.2 – Криоскопические и эбулиоскопические константы

Растворитель	tКИП., °С	Э	tЗАМ., °С	К
Вода – Н2О	100	0,52	0	1,86
Бензол – С6Н6	80,1	2,53	5,5	5,12

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

Криоскопическая и эбулиоскопическая константы не зависят от природы растворенного вещества, а являются характеристиками ра­створителя.

Законы Рауля широко применяются на практике. Например, 58 % (по массе) водный раствор этиленгликоля замерзает при температуре – 50 °С, поэтому используется в качестве антифриза.