Определение количественных характеристик процесса экстракции – константы распределения и степени извлечения

Цель работы – определить константу распределения и степень экстракции иода из водной фазы в органическую фазу.

Сущность работы. Экстракция – процесс распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами, чаще всего между органическим растворителем и водой. Экстракцию можно использовать для извлечения веществ, разделения или концентрирования.

При экстракции вещества частично или практически полностью переходят из одной фазы в другую. Экстрагироваться могут как молекулы веществ, так и ионы (по ионообменному механизму). Если к водному раствору неэлектролита I₂ прилить не смешивающийся с водой органический растворитель (например гептан) и встряхивать полученную систему, то I₂ распределяется между органической и водной фазами:

I_{2 (водн)} ↔ I_{2 (орг)}.

Встряхивание необходимо для увеличения поверхности контакта фаз с целью быстрого достижения равновесия. Данное равновесие распределения вещества между фазами описывается константой распределения P:

(12.1)

где C (I₂)_орг и C (I₂)_водн – равновесные концентрации иода в органической и водной фазах соответственно.

Если объемы фаз не равны, то константу распределения выражают как отношение количества моль вещества в фазах:

, (12.2)

где V _орг и V _водн – объемы органической и водной фаз соответственно.

Константа распределения зависит от природы распределяемого вещества, природы фаз и температуры и не зависит от равновесных концентраций вещества и объемов фаз.

Отношение количества экстрагированного вещества n к его общему (суммарному) количеству N (т. е. к исходному) представляет собой степень экстракции R (или степень извлечения):

(12.3)

Степень экстракции неэлектролита зависит от константы распределения и отношения объемов водной и органической фаз. При прочих равных условиях степень экстракции тем выше, чем больше константа распределения.

Если распределяемое вещество обладает интенсивной собственной окраской хотя бы в одной из фаз, то для определения его концентрации можно применить фотометрический метод.

Оборудование, посуда, реактивы: спектрофотометр или фотоколориметр КФК-3; кюветы стеклянные длиной 3 мм; пробирка с пришлифованной пробкой, пипетки градуированные для отмеривания объемов 5, 0 или 10, 0 мл, стеклянная воронка, фильтр бумажный, пробирки конические; стандартный 1 · 10^–3 M водный раствор I₂, гептан (или другой растворитель).

Выполнение работы

1. Получение спектра поглощения и выбор рабочей длины волны. Включают спектрофотометр или фотоколориметр согласно инструкции к прибору. Одну кювету заполняют стандартным 1 · 10^–3 M водным раствором I₂, другую – дистиллированной водой (раствор сравнения). Помещают их в ячейки кюветного отделения спектрофотометра. Проводят измерения оптической плотности раствора I₂ в диапазоне длин волн 370–550 нм с интервалом 5 нм.

По полученным данным строят график в координатах A – λ, нм. Выбирают длину волны, при которой наблюдается максимальное светопоглощение, и рассчитывают значение молярного коэффициента поглощения (ε) иода при данной длине волны.

2. Проведение экстракции. В чистую пробирку с пришлифованной пробкой вносят 10, 0 мл стандартного 1 · 10^–3 M водного раствора I₂ и 2, 0 мл гептана или другого растворителя по указанию преподавателя. Плотно закрывают пробирку пробкой и встряхивают экстракционную систему в течение 5 минут. При этом встряхивание не должно быть чрезмерно интенсивным во избежание образования эмульсии или пены. Оставляют пробирку в штативе до практически полного расслоения фаз.

Для отбора нижней водной фазы зажимают верхнее отверстие пипетки вместимостью 10, 0 мл, быстро опускают ее на дно пробирки и открывают верхнее отверстие. Отбирают ~ ¾ объема водной фазы и профильтровывают через бумажный фильтр в коническую пробирку. Органическую фазу переливают в емкость для отходов.

3. Определение равновесной концентрации иода в водной фазе после проведения экстракции. Заполняют кювету водной фазой и измеряют оптическую плотность относительно того же раствора сравнения. Рассчитывают равновесную концентрацию иода в водной фазе по закону Бугера – Ламберта – Бера, используя измеренное значение А, известное значение l и рассчитанное значение ε.

4. Расчет количественных характеристик процесса экстракции. Рассчитывают константу распределения P ^* и степень извлечения R иода по приведенным выше формулам. Для расчета равновесной концентрации иода в органической фазе используют формулу

= ,

где – исходная концентрация иода в водной фазе.

На основании полученных данных делают вывод об эффективности экстракционного извлечения иода данным растворителем и о возможности применения данной экстракционной системы для концентрирования иода.

Программа курса
«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»

Общие вопросы

Различия между химическими, физическими и физико-химическими методами анализа. Особенности и преимущества инструментальных методов анализа. Классификация инструментальных методов анализа. Значение инструментальных методов анализа в современной науке и химической технологии.

Аналитический сигнал, его получение и измерение. Составляющие аналитического сигнала (значимые, мешающие и шумовые сигналы). Аналитический сигнал фона, холостая проба. Зависимость между аналитическим сигналом и концентрацией определяемого компонента (уравнение связи). Приемы определения неизвестной концентрации компонента в инструментальных методах анализа: методы градуировочного графика, стандартов, добавок и инструментальное титрование. Сущность и условия применимости каждого приема.

Метрологические характеристики инструментальных методов анализа.

Электрохимические методы анализа

Классификация электрохимических методов анализа.

Кондуктометрические методы анализа. Сущность и классификация кондуктометрических методов анализа: прямая кондуктометрия и кондуктометрическое титрование. Аналитические возможности и метрологические характеристики методов.

Удельная электрическая проводимость как аналитический сигнал, факторы, влияющие на величину сигнала. Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации, причины отклонения от линейной зависимости в области больших концентраций. Эквивалентная электрическая проводимость, факторы, влияющие на ее величину. Подвижность ионов, уравнение Кольрауша.

Измерение аналитического сигнала. Кондуктометрическая ячейка и измерительные приборы. Современные кондуктометры и кондуктометрические датчики.

Прямая кондуктометрия: сущность метода, приемы нахождения неизвестной концентрации, применение для целей анализа.

Кондуктометрическое титрование: сущность метода, кривые титрования индивидуальных веществ и смесей для реакций кислотно-основного взаимодействия, осаждения, комплексообразования. Факторы, влияющие на четкость излома кривых титрования в каждом случае.

Потенциометрические методы анализа. Сущность и классификация потенциометрических методов анализа: прямая потенциометрия (ионометрия) и потенциометрическое титрование. Аналитические возможности и метрологические характеристики методов.

Измерение аналитического сигнала. Индикаторные электроды и электроды сравнения, требования к ним. Измерительные приборы.

Классификация электродов в зависимости от принципа работы: электронообменные (металлические) и ионообменные (мембранные, ионоселективные) электроды, уравнения Нернста для них.

Ионометрия. Ионоселективные электроды, зависимость их потенциала от активности определяемых ионов в отсутствие и в присутствии мешающих ионов, уравнение Никольского. Основные характеристики ионоселективных электродов, потенциометрический коэффициент селективности. Методы определения концентрации ионов с использованием ионоселективных электродов.

Потенциометрическое титрование: сущность метода, кривые титрования индивидуальных веществ и смесей. Графические способы определения конечной точки титрования. Выбор системы электродов для проведения потенциометрического титрования с использованием кислотно-основных и окислительно-восстановительных реакций, реакций осаждения и комплексообразования. Неводное потенциометрическое титрование.

Вольтамперометрические методы анализа. Сущность и классификация вольтамперометрических методов анализа. Аналитические возможности и метрологические характеристики методов.

Электролитическая ячейка и измерительные приборы. Поляризация электродов, требования к электродам. Жидкие и твердые рабочие электроды, понятие о современных видах рабочих электродов (вращающиеся дисковые, модифицированные, ртутно-графитовые электроды in situ и др.). Современные приборы для вольтамперометрического анализа – полярографы, вольтамперометрические анализаторы.

Вольтамперная зависимость (полярограмма, полярографическая волна). Остаточный, диффузионный и предельный диффузионный токи. Зависимость предельного диффузионного тока от концентрации. Уравнение Ильковича. Основные характеристики волны – потенциал полуволны и высота волны, их использование для целей качественного и количественного анализа. Уравнение Гейровского, его применение в анализе. Условия получения волны. Миграционный и конвекционный токи, их подавление.

Приемы нахождения неизвестной концентрации в вольтамперометрии. Амперометрическое титрование.

Инверсионная вольтамперометрия. Сущность и особенности метода, его аналитические возможности и метрологические характеристики. Основные этапы инверсионно-вольтамперометрического определения. Вольтамперная зависимость, ее основные характеристики – потенциал пика и высота (глубина) пика, их использование для целей качественного и количественного анализа.

Спектроскопические и другие оптические методы анализа

Классификация спектроскопических и других оптических методов анализа в зависимости от спектрального диапазона, в котором измеряют величину аналитического сигнала, и от явлений, которые происходят при взаимодействии света с веществом.

Атомная спектроскопия. Теоретические основы метода. Законы испускания и поглощения электромагнитного излучения атомами. Способы атомизации пробы и возбуждения атомов.

Эмиссионная фотометрия пламени. Сущность метода, его аналитические возможности и метрологические характеристики. Эмиссионные спектры, их происхождение, получение и регистрация. Основные характеристики линий эмиссионного спектра, их использование для качественного и количественного анализа. Резонансные спектральные линии, их значение в анализе. Процессы, протекающие в пламени при распылении в нем исследуемого раствора. Возбуждение частиц в пламени, распределение Больцмана. Зависимость интенсивности излучения от концентрации элемента в растворе, причины отклонения от линейности. Влияние различных факторов на результаты пламенно-фотометрических определений. Мешающее влияние катионов и анионов. Приемы определения неизвестной концентрации. Основные узлы и общий принцип работы приборов эмиссионной фотометрии пламени. Пламя как источник возбуждения и атомизатор, его характеристики (температура, состав).

Абсорбционная спектроскопия. Происхождение спектров поглощения. Вращательные спектры. Колебательные спектры и их использование в аналитической практике.

Электронные спектры поглощения, их получение и регистрация. Основные характеристики полос поглощения, их использование для качественного и количественного анализа. Основные величины, характеризующие светопоглощение. Закон Бугера – Ламберта – Бера, условия его применимости, причины отклонений от него. Закон аддитивности светопоглощения.

Фотоколориметрия и спектрофотометрия: сущность, аналитические возможности и метрологические характеристики методов. Основные этапы фотометрического определения. Фотометрические реакции и фотометрические реагенты. Выбор условий фотометрического определения (длина волны, толщина поглощающего слоя). Оптимальный интервал значений светопоглощения.

Прямые и косвенные приемы определения неизвестной концентрации. Фотометрическое титрование, виды кривых титрования. Определение светопоглощающих веществ в смеси.

Основные узлы и общий принцип работы приборов абсорбционной спектроскопии. Источники света различных областей спектра, монохроматизаторы (призмы, дифракционные решетки, светофильтры), кюветы, приемники света.

Нефелометрия и турбидиметрия. Сущность методов, их аналитические возможности и метрологические характеристики.

Взаимодействие света со взвешенными частицами. Закон Релея. Зависимость аналитического сигнала от концентрации вещества в нефелометрии и турбидиметрии. Условия проведения нефелометрических и турбидиметрических измерений. Приемы определения неизвестной концентрации.

Приборы для нефелометрических и турбидиметрических измерений – нефелометры, мутномеры, турбидиметры, фотоколориметры, спектрофотометры, абсорбциометры. Основные узлы и общий принцип работы.

Рефрактометрия. Сущность метода, его аналитические возможности и метрологические характеристики.

Показатель преломления как аналитический сигнал, факторы, влияющие на величину сигнала. Условия проведения рефрактометрических измерений. Удельная и молярная рефракция. Формула Лоренц-Лоренца и правило аддитивности рефракции, их использование для анализа бинарных смесей.

Рефрактометры. Основные узлы и общий принцип работы. Предельный угол преломления и его значение при измерении АС. Специализированные рефрактометры, шкала Брикса. Современные рефрактометры для проведения экспресс-анализа, их элементная база.

Хроматографические методы анализа

Хроматографические методы анализа, их сущность, особенности и аналитические возможности. Основы процесса хроматографического разделения. Классификация хроматографических методов. Подвижные и неподвижные фазы в хроматографии. Хроматограмма, хроматографические параметры и их использование для целей качественного и количественного анализа.

Газовая хроматография. Сущность метода, его разновидности. Теоретические основы и аналитические возможности газожидкостной и газоадсорбционной хроматографии. Параметры удерживания. Параметры разделения. Основные узлы и принцип действия газовых хроматографов. Условия проведения эксперимента, выбор оптимальных условий хроматографирования. Методы идентификации и определения компонентов пробы в газовой хроматографии.

Жидкостная хроматография. Сущность и аналитические возможности метода. Основные узлы и принцип действия жидкостных хроматографов. Высокоэффективная жидкостная хроматография в адсорбционном и ионообменном вариантах.

Методы разделения и концентрирования, основанные на однократном распределении вещества между двумя фазами

Сущность, задачи и основные количественные характеристики методов разделения и концентрирования. Константа и коэффициент распределения, степень извлечения. Классификация методов разделения и концентрирования.

Экстракция. Сущность экстракции и ее применение в анализе. Экстракционное равновесие. Скорость экстракции. Условия проведения экстракции.

Ионный обмен. Сущность ионного обмена и его применение в анализе. Иониты, их классификация. Строение ионитов. Ионообменное равновесие. Закономерности ионного обмена. Обменная емкость ионитов, ее виды. Факторы, влияющие на обменную емкость.