РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСТВОРЯЕМОГО ВЕЩЕСТВА МЕЖДУ ДВУМЯ ЖИДКИМИ ФАЗАМИ. ЭКСТРАКЦИЯ.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 23Следующая ⇒

Если к системе из двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей добавлять третью жидкость, способную в них растворяться, то добавляемая жидкость будет распределятся между обеими жидкими фазами в соответствии с законом распределения Нернста-Шилова:

третий компонент, добавляемый к системе, состоящий из двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей, распределяется между обеими жидкими слоями в определенном, постоянном при данной температуре отношении:

где К - коэффициент распределения.

При распределении третьего вещества между двумя несмешивающимися жидкостями возможен случай, когда степень диссоциации распределяющегося вещества в разных растворителях отличается. В этих случаях закон распределения имеет вид:

;

L^I, L^II - степень диссоциации или ассоциации распределяемого вещества в I и II фазах.

Коэффициент распределения, таким образом, зависит от температуры, природы всех веществ, входящих в систему, и от степени диссоциации или ассоциации третьего компонента, но не зависит от концентрации распределяемого вещества. Закон распределения широко используется при экстрагировании вещества из раствора.

Экстракцией называют процесс извлечения вещества, растворенного в одном растворителе, другим растворителем (экстрагентом), который не смешивается с первым и лучше растворяет извлекаемое вещество.

Экстракцию широко применяют в фармации для извлечения из растительного сырья эфирных масел, алколоидов и других физиологически активных веществ. Экстракция бывает однократной и. дробной. При однократной - экстрагент добавляется в один прием, при дробной - добавление экстрагента проводится порциями в несколько приемов, причем, чем больше число последовательных стадий извлечения, тем больше полнота извлечения при одном и том же количестве взятого экстрагента. После n экстрагирований в исходном растворе остается m_nkп растворенного вещества:

m_o - начальное количество экстрагируемого вещества;

V, - объем раствора в котором находится экстрагируемое вещество;

V₂ - объем растворителя, употребляемый на одно экстрагирование;

n - общее количество операций экстрагирования.

Для оценки степени извлечения сравнивают массу извлеченного вещества от теоретически возможной

m_э- экспериментально найденная масса извлеченного вещества при экстракции.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЯМ ПО ТЕМЕ: " ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ".

1. Основные понятия и определения: фаза, составляющие вещества, компоненты, число компонентов и число степеней свободы.

2. Правило фаз Гиббса. Прогнозирование фазовых переходов при изменении условий.

3. Диаграммы состояния однокомпонентных систем (вода, сера, углекислый газ).

4. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Связь с принципом ЛеШателье.

5. Термический анализ. Вид кривых охлаждения и построение диаграммы плавкости 2-х компонентной системы с простой эвтетикой.

6. Анализ диаграмм плавкости:

а) с простой эвтетикой;

б) с образованием химических соединений;

в) с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.

7. Применение правил фаз Гиббса и рычага к диаграммам плавкости. Определение состава лекарственной смеси по диаграмме плавкости.

8. Анализ диаграмм растворимости ограниченно растворимых жидкостей:

а) с верхней критической температурой растворения;

б) с нижней критической температурой растворения;

в) с замкнутой областью расслоения.

9. Трехкомпонентные системы. Способы изображения состава.

10.Закон распределения веществ между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения.

11.Теоретические основы экстрагирования. Применение экстрагирования в медицине.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ.

§ Карбид кальция получают по уравнению:

СаО(т) + ЗС → СаС₂(т) + С0₂(г)

При 1600°С СаС₂ и СаО взаимно растворяются, образуя расплав. Определить фазовый состав и число степеней свободы этой системы до 1600°С и выше этой температуры.

Решение:

До 1600°С система состоит из четырех составляющих веществ. В состоянии равновесия эти вещества связаны одним уравнением Кр=Рсо₂, то число компонентов равно 3. Число фаз равно 4. Число степеней свободы С=К-Ф+2=3-4+2=1.

При температуре выше 1600°С СаС₂ и СаО образуют расплав, в этих условиях будет 3 фазы и С = 3-3+2 = 2.

§ При какой температуре кипит вода в автоклаве при давлении 2 атм? Теплота испарения воды 40, 7 кДж/моль.

Решение:

По уравнению Клапейрона-Клаузиуса

lg P₂/P₁=∆ H/2, 3 R *(1/T₁-1/T₂);

lg 2/1 = 40700/2, 3*8, 31 (1/37, 3 - 1/Т₂);

Т₂=390, 8 К или 117, 8°С

§ Построить диаграмму плавкости системы парафин- метилстеарат с одной эвтектикой по следующим данным: t_пл.парафина = 34°С, t_плметилстеората=45°С, t_E=25°С, состав эвтектики: 60% парафина.

а) определить, что представляет собой система из 10% метилстеарата и 90% парафина, какое вещество кристаллизуется первым?

б) при какой температуре закончится кристаллизация системы? Чему равен состав последних ее капель?

в) построить кривую охлаждения сплава (а).

г) каков фазовый качественный и количественный состав сплава состава (в), если общая масса системы 3 кг.

Решение:

1) Построим диаграмму состояния системы (П-парафин, М-метилметилстеарат).

2) Расставим фазы на диаграмме;

3) В жидкой области отмечаем сплав (а) состава

10%М + 90%П, проследим ход его кристаллизации: при понижении температуры расплав охлаждается до линии ликвидус. При температуре соответствующей точке a₁, выпадут первые кристаллы компонента П, при дальнейшем понижении температуры до а₂ из сплава будет кристаллизоваться П, остающаяся жидкость при этом обогащается компонентом М и ее состав изменяется по линии ликвидус к точке Е.

4) В точке а₂ заканчивается кристаллизация сплава (а), состав последующих капель жидкости соответствует составу точки Е (эвтектики), т.е. 60% П + 40% М, в точке а₂ происходит нонвариантный процесс

Ж_Е -> П + М

Ниже ta₂ сплав будет твердым и содержать 2 фазы - кристаллы П и М.

5) Построим кривую охлаждения сплава (а) в соответствии с вышеизложенными рассуждениями. В точке a₁ наблюдается излом кривой охлаждения, т.к.скорость охлаждения сплава в связи с кристаллизацией замедляется, а в точке а₂происходит нонвариантный процесс кристаллизации эвтектики, поэтому температура остается постоянной.

6) Сплав состава (в) находится в 2х фазном поле, содержащем кристаллы М и жидкость. Количественно определить их соотношение можно с помощью правила рычага.

m_ж / m_M = bk / bl;

Измерим длину отрезков bk и bl на диаграмме: bk=l, l см: bl= 1 см. Учитывая, что вся масса сплава равна 3 кг, решаем уравнение: m_ж/(3-m_ж)=1, 1 /1; m_ж=1, 57кг, m_м=1, 43кг.

§ В 1 литре культуральной жидкости содержится 0, 3 г пенициллина. Для экстракции берут 500 мл амилацетата. В каком случае извлечение будет более полным, если экстрагировать:

а) 1 раз 500мл амилацетата;

б) 5 раз порциями по 100 мл амилацетата. Величина К=_С1Орг / _С2Вод=25.

Решение:

Для решения воспользуемся формулой

'm_n = m₀(V₁ / К*V₂+V1)ⁿ

m₀, m_n- количество пенициллина в культуральной жидкости соответственно до и после экстрагирования;

n - число экстракций.

a)m = m₀*(V₁ / R*V₂+V₁) = 0, 3*( 1 / 25*0, 5+1) = 2, 2*10^-2 (Г)

б)m= m₀*(V₁ / K*V₂/n+V₁)ⁿ = 0, 3*(1 / 25*0, 5/5+1 )⁵ = 7, 3*10^-4 (Г)

Извлечение в случае " б" будет более полным, т.к. в культуральной жидкости останется меньшее количество пенициллина.

§ При распределении янтарной кислоты между водой и эфиром были получены следующие данные: концентрация кислоты (моль/дм³) в водном растворе 0, 121 и 0, 07, в эфире соответственно 0, 22 и 0, 0128.

Показать, что для янтарной кислоты и данных растворителей справедлив закон распределения в его простейшей форме.

Решение:

Кд=С₁ вод / С₂ орг;

1)К¹_д=0, 121 /0, 022=5, 5;

2) К²_д=0, 07 / 0, 0128=5, 47; К¹_д ~ К²_д.

Следовательно для данной системы закон распределения справедлив в простейшей его форме.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ.

1.Определите число степеней свободы для системы, в которой происходит следующая реакция:

Na₂S0₄ + 2 KCI= K₂S0₄ + 2 NaCl,

в системе присутствуют пары воды и кристаллы КС1.

Ответ: С=2.

2. Вычислите теплоту испарения диэтилового эфира, если при нормальной температуре кипения (307, 9 К) d_р/d_т=3, 53*10³ Па/К.

Ответ: 2, 74* 10⁴ Дж/моль.

3. Найдите молярную теплоту плавления дифениламина, если плавление сопровождается увеличением объема, равным 95, 8 см³ /кг.

Изменение температуры плавления при изменении давлении в точке плавления (54°С) равно 0, 027 град/Па. Молярная масса дифениламина равна 169, 2г/моль.

4. Вычислите теплоту испарения лекарственного вещества в интервале температур 88 - 112 К, если давление при этих температурах 8*10³ и 101* 10³Па.

Ответ: 8, 64 кДж/моль.

5. Вычислите молярную теплоту испарения жидкости, если при давлении 760 мм.рт.ст. она кипит при 69°С, а при 571 мм.рт.ст. - при 60 С.

Ответ: ________.

6. По приведенной диаграмме:

а) определите состав химического соединения и расставьте фазы на фазовых полях.

б) определите составы и температуры плавления эвтектических сплавов.

в) нарисуйте кривую охлаждения смеси, содержащей 50% В и сделайте вывод о фазовых превращениях, происходящих в системе, укажите их температуры.

г) для сплава состава точки 3 рассчитайте количества равновесных фаз, учитывая, что масса всего сплава равна 1 кг.

д) определите состав жидкой фазы сплава в точке 3.

7. По приведенной диаграмме:

а) расставьте фазы на фазовых полях;

б) из отмеченных на диаграмме точек выберите критическую точку и точку, находящуюся в гомогенной области;

в) определите вариантность системы, в точках (1, 4, 5).

г) для точки 5 определите общий состав смеси и равновесных фаз, а так же их количество, если масса смеси равна 0, 5 кг.

8. Сколько нужно провести экстракций, чтобы извлечь, йод на 99% из 4дм³водного раствора концентрацией 0, 1 г/дм³, если йод экстрагируется порциями сероуглерода по 100 мл. Величина К_д=59.

Ответ: 2 экстракции.

9. Сколько воды потребуется для извлечения уксусной кислоты из 500 мл 0, 1М ее раствора в амиловом спирте, если ее концентрация в водном растворе должна быть доведена до 0, 05 моль/л? Коэффициент распределения уксусной кислоты между амиловым спиртом и водой равен 0, 914.

10. В бензоле пикриновая кислота находится в виде одинарных молекул С₆Н₂(NO₂)₃ОН и не диссоциирует на ионы. Равновесные концентрации С в водном и бензольном слое (моль/л):

Водный слой (с× 10³)	2.08	3.27	7.01	10.1
Бензольный слой (с× 10³)	0.932	2.25.	10.1	19.9

Рассчитать К и показать, что, растворяясь в воде, пикриновая кислота диссоциирует на ионы.

Ответ: ______________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒