Целью работы является изучение коэффициента распределения ионов меди между водой и органической жидкостью при комнатной температуре.
При подготовке к работе следует ознакомиться со следующими разделами теоретического курса: правило фаз Гиббса, закон распределения, активности компонентов разбавленных, идеальных и реальных растворов.
Теоретические сведения
Рассмотрим систему из двух чистых жидкостей, нерастворимых друг в друге, при этом жидкости образуют два слоя. Если в такую систему добавить третье вещество, растворимое в обеих жидкостях (третий компонент), то после достижения равновесия этот третий компонент распределится между обоими слоями, образуя два раствора различной концентрации.
Согласно правилу фаз Гиббса число степеней свободы трехкомпонентной (
) двухфазной (
) системы равно трем:
| (40) |
Таким образом, из трех параметров, характеризующих равновесие системы (температура 
и концентрации растворенного вещества в двух фазах 
), произвольно можно изменять лишь два. Третий параметр является функцией двух независимых переменных. При постоянной концентрация растворенного вещества «i» в одной из фаз является функцией его концентрации в другой фазе, т.е. 
. Другими словами, при равновесии двух фаз концентрации растворенного вещества «i» в них взаимно связаны. Эта связь выражается законом распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями, согласно которому константа распределения, равная отношению активностей растворенного вещества в разновесных фазах является однозначной функцией температуры.
| (41) |
Вывод уравнения (41) основан на условии равновесия системы: химические потенциалы растворенного вещества одинаковы в обеих фазах, т.е. 
.
Используя известное соотношение
| (42) |
в котором 
относится к стандартному состоянию, и приравнивая потенциалы 
и 
вещества «i», приходим к равенству:
 .
| (43) |
Поскольку стандартные потенциалы компонента «i» в каждой из фаз и 
зависят лишь от температуры, отношение активностей компонента, называемое константой распределения, является также функцией только температуры и не зависит от состава растворов.
В реальных растворах активность компонента
| (44) |
поэтому вместо константы распределения удобнее использовать коэффициент распределения 
, равный отношению концентраций растворенного вещества в равновесных фазах
 .
| (45) |
Коэффициент распределения является функцией состава, поскольку коэффициенты активности 
и 
зависят от концентрации раствора.
В бесконечно разбавленных растворах коэффициент активности растворенного вещества постоянен, поэтому здесь не только константа, но и коэффициент распределения не зависят от состава равновесных фаз.
В бесконечно разбавленном растворе все величины, характеризующие состав, пропорциональны друг другу (
). Поэтому здесь коэффициент распределения может быть выражен через отношение равновесных концентраций в любых единицах, например,
 .
| (46) |
Значения при этом получаются различными, но во всех случаях они не зависят от состава.
Измерение коэффициента распределения позволяет определять активности растворенного вещества. Для этого бинарный раствор с известной зависимостью активности компонентов от состава приводят в контакт с несмешивающейся жидкостью, содержащей общий с первой фазой компонент, активность которого неизвестна. После установления равновесия измеряют концентрации 
и 
растворенного вещества в каждой из фаз для растворов различного состава. Находят соответствующие значения отношений 
и строят график зависимости этого отношения от концентрации третьего компонента в растворах с известными активностями. Экстраполируя полученную линию до нулевой концентрации (
), на оси ординат получают значение константы распределения для бесконечно-разбавленного раствора. Для таких растворов, как уже отмечалось, отношение концентраций растворенного вещества не зависит от состава растворов. Зная это отношение и величины активностей растворенного вещества в одном из растворителей, рассчитывают активности третьего компонента в другом растворителе при всех исследованных концентрациях.
Закон распределения имеет и другое важное практическое значение. Из предыдущих уравнений следует, что для понижения концентрации растворенного вещества в одной фазе при постоянных температуре и давлении необходимо понизить его концентрацию в другой. Последнее может быть достигнуто разбавлением одной из фаз. В частности, при производстве стали для очистки металла от вредных примесей (фосфора, серы и др.) либо увеличивают количество шлака, либо удаляют шлак, содержащий вредную примесь, и наводят новый. Так как при постоянной температуре константа распределения примеси остается величиной постоянной, то часть примеси переходит из металла в новый шлак и концентрация ее в металле уменьшается. Такое извлечение растворенного вещества из раствора называется экстракцией.
Очевидно, экстракция будет тем эффективнее, чем больше коэффициент распределения отличается от единицы. Коэффициент распределения можно менять, добавляя в растворы вещества, меняющие коэффициенты активности данного компонента «i». Так, введение вещества, имеющего большее сродство к данному компоненту, чем растворитель, снижает коэффициент активности этого компонента и, следовательно, изменяет величину коэффициента .
Порядок выполнения работы
Работа выполняется на виртуальной модели, которые часто применяются в случае, если изучение объекта экономически не обосновано, осложнено экспериментально или не безопасно. Виртуальная модель включает в себя смысловую модель, на основе которой разрабатывается математическая модель. По уравнениям мат. модели с помощью компьютера осуществляется графическое представление процесса.
Выполняемая виртуальная работа основана на реальном процессе выделения ионов меди из водного раствора при соприкосновении данного раствора с органической фазой представляющей собой раствор Д2ЭГФК (Ди 2-этил-гексил фосфорная кислота) 30 мас.% в керосине. При протекании такого процесса основное количество Cu2+ переходит в органическую фазу, а концентрация Cu2+ в водном растворе существенно снижается.
Для выполнения работы следует подать в емкость 1 (Рис.8) по трубке 3 с помощью нажатия соответствующей кнопки-клапана необходимое кол-во водного раствора Vр (от 100 до 190 мл, синего цвета), добавить клапаном 4 жидкой органической фазы. После чего включить магнитную мешалку и перемешать растворы в течение 30 сек.
Рис. 8. Схема установки для разделения ионов меди между двумя несмешивающимися жидкостями: 1 – емкость для разделения (экстрактор), 2 – кнопка включения магнитной мешалки, трубки для подачи/слива: 3 – водного раствора содержащего ионы меди, 4 – органической фазы, 5 – на отбор проб для титрования, 6 – растворов в отстойник
Затем полученной эмульсии дают отстояться, и когда установятся два слоя, нижний (воду) в количестве 20 мл сливают нажатием на клапан трубки 5 в колбу для титрования 7 (Рис.9).
С помощью клапана 8 в бюретку 9 заливают титрующий раствор (водный раствор тиосульфата натрия) до выбранного уровня. К исследуемому раствору в колбе 7 добавляют 2 г KJ и 2 мл крахмала с помощью кнопки 10. При добавлении избытка KJ в исследуемый раствор вся медь содержащаяся в нем превращается в иодид и осаждается на дно сосуда.
| 2Cu 2+ +4I- = 2 CuI + I2 | (47) |
В ходе этой реакции происходит выделение молекулярного йода J2, который в присутствии крахмала придает раствору ярко синюю окраску.
Далее с помощью крана 11 начинают титрование, приливая титрующий раствор из бюретки в колбу 7. При этом осуществляется реакция:
| I2 + 2 Na2S2O3 = 2 NaI + Na2S4O6. | (48) |
Тиосульфат натрия взаимодействует с йодом, уменьшая его количество. В момент времени, когда весь молекулярный йод прореагирует по реакции (48), окраска раствора резко изменит свой цвет с синего на бесцветный. Как только раствор обесцветился титрование прекращают и фиксируют потраченное количество титрующего раствора Vт. Зная концентрацию тиосульфата натрия (Na2S2O3) в титрующем растворе, равную 0,1 моль/л, рассчитывают по реакциям (1 и 2) концентрацию меди в исследуемом растворе Ср1. В соответствии с реакцией (47) 2 моля прореагировавших ионов меди приходится 1 моль выделившегося иода. И по реакции (48) для нейтрализации 1 моля иода необходимо 2 моля тиосульфата натрия.
Рис. 9. Схема установки для титрования
7 – колба, 9 – бюретка, 10 – добавление KJ,
8,11, 12 – клапаны
То есть 1 моль прореагировавших Cu2+ приведет к затратам при титровании 1 моль Na2S2O3:
 .
| (49) |
Следовательно концентрацию Ср1 можно определить по формуле:
| Ср1= 0,1*Vт/20. | (50) |
При выполнении работы на экране в правом нижнем углу отображается начальная концентрация ионов меди в растворе подаваемом в экстрактор C0 от 0,01 до 0,05 моль/л. До процесса экстракции водный раствор содержал количество меди равное 
. После того как произошло перераспределение, в растворе остались ионы меди в количестве 
. Следовательно в органическую фазу перешло количество меди равное 
. Зная перераспределившееся количество меди, определяют равновесную концентрацию меди в органической фазе Ср2.
В емкости, где происходит разделение, остался раствор в количестве достаточном для повторного осуществления операции титрования. Поэтому клапаном 12 сливают из колбы 7 раствор после титрования и проводят химический анализ повторно. Определение концентрации меди в исследуемом растворе осуществляют 3 раза. По результатам трех измерений определяют средние значения концентраций.
Используя уравнение (46) находят коэффициент распределения ионов меди между водой и органической фазой для одной равновесной концентрации ионов меди в воде. Изменяя соотношения объемов органической фазы и водной (водный раствор добавляется в количестве 190, 180, 170, 160, 150 мл; органический до метки в 200 мл), изменяют равновесную концентрацию ионов меди. Определяют зависимость коэффициента распределения L от концентрации. Результаты измерения и расчетов помещают в таблицу 5.
Таблица 5
Результаты работы
| № опыта | Количество раствора тиосульфата, V, мл | Концентрация, моль/л | Коэффициент распределения L | |||||
| № пробы | Vср, мл | С0 | Ср1 | Ср2 | ||||
Вопросы для самоконтроля
1. Что называют константой распределения; от каких факторов зависит константа распределения?
2. Что называют коэффициентом распределения; в каком случае коэффициент распределения не зависит от состава раствора?
3. Чему равно число степеней свободы системы, состоящей из двух несмешивающихся индивидуальных жидкостей и распределенного между ними третьего вещества?
4. В каком случае по результатам опытов можно говорить о независимости коэффициента распределения от состава раствора?
5. В условиях задачи требуется очистить изоамиловый спирт от уксусной кислоты при помощи 1 литра воды. Коэффициент распределения равен 1. Как выгоднее ее использовать для этой цели: залить ли ее всю в делительную воронку сразу или отдельными порциями?
6. Изменится ли коэффициент распределения, если между двумя несмешивающимися фазами поместить третью фазу?
7. В чем состоит практическое значение определения коэффициента распределения вещества в двух несмешивающихся жидкостях?
