Учебнометодический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 Химическая и биотехнологии

• Название: Учебнометодический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 Химическая и биотехнологии
• Дата: 08.09.2022
• Размер: 1.18 Mb.
• Имя файла: 301-001049.pdf
• Тип: Учебно-методический комплекс; #667640
• страница: 7 из 11

Рис. 8. Треугольники для изображения состава тройных смесей

Если в системе появится двух сопряженных фаз (фаз уменьшится на единицу и станет давлении в трехкомпонентной значение концентрации только других компонентов при этом из сопряженных фаз двухфа параметра. Область существования выразиться на треугольной диаграмме две ветви бинодальной кривой слое, а ветвь aK - растворам двухфазной смеси из двух компонентов увеличивает взаимную растворимость постепенно сближаются. Третий неравномерно в соответствии
Отметив на соответствующих концентрациям ацетона, укажем
Соединив эти точки отрез например точка d , отвечает растворов (
1
a
и
1
b
). При этом рычага, обратно пропорцио системы d :
Если добавить к рассматриваемой
(ацетона), то он будет неравномерно диаграмме наклон коннод бу закона распределения становится значительной взаимной растворимост усложняется. Поскольку при взаимная растворимость пе уменьшается и при определенном
Рис.9. Зависимость растворимости
55 системе появится вторая фаза, т. е. если система окажется енных фаз (фаз, находящихся в равновесии), то число ицу и станет равно трем. Значит, при определенных трехкомпонентной двухфазной системе произвольно концентрации только одного компонента в одной из фаз компонентов при этом уже однозначно определяются. Таким образом фаз двухфазной трехкомпонентной системы есть
Область существования каждой из сопряженных фаз должна треугольной диаграмме некоторой линией. Эти линии нодальной кривой. Так, на рис.9 ветвь bK отвечает растворам растворам ацетона в слое, богатом хлороформом из двух компонентов (воды и хлороформа) третьего взаимную растворимость. В результате этого ветви сближаются. Третий компонент распределяется между ствии с законом распределения Нернста - Ши на соответствующих ветвях бинодальной кривой ацетона укажем фазовые точки двух сопряженных растворов точки отрезком прямой, получим конноду
1 1
b
a
отвечает двухфазной системе, состоящей из тех же
При этом массы сопряженных растворов, в соответствии пропорциональны расстояниям от фазовых точек этих
d
b
d
a
m
m
b
a
1 1
1 1
=
добавить к рассматриваемой системе новые порции будет неравномерно распределяться между двумя слоями наклон коннод будет возрастать. Определять направление деления становится невозможно, так как при больших кон взаимной растворимости самих растворителей закон
Поскольку при добавлении к системе третьего компонента растворимость первых двух компонентов (рис. 9), то длина при определенном составе системы, отвечающем
Зависимость растворимости от состава в тройных жидких жется состоящей из равновесии то число степеней свободы при определенных температуре и произвольно может быть задано одной из фаз. Концентрации двух определяются Таким образом, состав каждой системы есть функция одного пряженных фаз должна, следовательно,
Эти линии представляют собой отвечает растворам ацетона в водном богатом хлороформом. Прибавление к роформа третьего компонента (ацетона) этого ветви бинодальной кривой ется между двумя фазами илова. бинодальной кривой точки, отвечающие сопряженных растворов (точки
1
a
и
1
b
).
. Любая точка конноды, тех же двух сопряженных растворов в соответствии с правилом фазовых точек этих растворов до точки вые порции третьего компонента между двумя слоями. При этом на направление коннод с помощью ольших концентрациях
1
c
и
2
c
и растворителей закон распределения третьего компонента увеличивается то длина конноды постепенно отвечающем точке К, обе ветви тройных жидких системах

56 бинодальной кривой сходятся, составы обоих сопряженных растворов совпадают и система становится однофазной.
Составы сопряженных растворов и направление коннод в области составов системы, близкой к критической точке, можно определить, пользуясь приближенным эмпирическим правилом Тарасенкова. Согласно этому правилу продолжения всех коннод для данной области расслоения пересекаются приблизительно в одной точке (точка Т на рис. 9). Это правило применимо лишь к простейшим системам взаимной растворимости трех жидкостей.
Зависимость взаимной растворимости трех жидкостей от температуры.
Взаимная растворимость жидкостей в тройных системах, как и в двойных, зависит от температуры. Для большинства систем с повышением температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается, однако встречаются и системы, в которых растворимость уменьшается при повышении температуры. Диаграмма, выражающая зависимость взаимной растворимости трех жидкостей от температуры, должна быть пространственной и иметь вид трехгранной призмы. В основании призмы лежит треугольник состава тройной системы, а вертикальное ребро является осью температур. Такие диаграммы могут быть очень сложными и разнообразными. Простейший тип такой диаграммы представлен на рис.10а. По мере повышения температуры и роста взаимной растворимости жидкостей область расслоения уменьшается и, наконец, при достижении верхней критической температуры растворения исчезает. Критический состав системы при этом также меняется, причем критические точки для разных температур образуют критическую кривую dk заканчивающуюся в верхней критической точке k . Верхняя критическая точка растворения может быть как двойной, лежащей на грани призмы и отвечающей двойной смеси, так и тройной, т. е. лежащей внутри призмы и отвечающей некоторой определенной тройной смеси. Тройная верхняя критическая точка наблюдается, например, в системе вода - фенол - ацетон. Если рассечь пространственную диаграмму рядом горизонтальных плоскостей - изотерм и спроектировать полученные для каждой изотермы винодельные кривые на основание призмы, то получится плоская треугольная диаграмма (рис.10б), на которой роль горизонталей играют изотермические бинодальные кривые.
Трехкомпонентные системы. Диаграммы взаимной растворимости жидкостей в трехкомпонентных системах довольно разнообразны. Особенно часто встречаются системы, в которых две жидкости обладают ограниченной взаимной растворимостью, а третья жидкость неограниченно смешивается с каждой из первых двух. Для таких систем с одной областью расслоения диаграмма растворимости при постоянстве давления и температуры имеет вид, изображенный на рис. 11.
Кривая расслоения DKE , называемая бинодальной кривой, делит диаграмму на две области. Область, лежащая под бинодальной кривой, отвечает области расслоения. Любая фигуративная точка, находящаяся в области расслоения, изображает состав системы, состоящей из двух равновесных жидких фаз, каждая из которых содержит три компонента
Рис. 10. Простейший вид диаграммы – политермы взаимной растворимости трех жидкостей

57
(
1 2
3
=
−
=
УСЛ
C
). Например, система, изображенная на диаграмме точкой М, распадается на два жидких раствора, составы которых изображены точками О и Р, лежащими на бинодальной кривой. В общем случае растворимость компонента С в двух жидких слоях неодинакова, поэтому нода ОР, соединяющая фигуративные точки сопряженных растворов
(растворов, находящихся в равновесии), не параллельна стороне треугольника АВ. Точка К
изображает систему, в которой составы обеих жидких фаз одинаковы (
0 1
2 3
=
−
−
=
УСЛ
C
).
Эта точка называется критической точкой растворения. Составы равновесных фаз и положение критической точки можно найти, пользуясь правилом Тарасенкова, согласно которому продолжения нод, соединяющих фигуративные точки равновесных фаз
(
GH
NL
OP
,
,
), пересекаются в одной точке F , лежащей па продолжении той стороны равностороннего треугольника, которая одновременно является нодой сопряженных растворов из двух ограниченно растворимых жидкостей. Следует отметить, что правило Тарасенкова является приближенным и не во всех случаях соблюдается.
Область диаграммы, лежащая над кривой DKE, отвечает гомогенной системе. Любая фигуративная точка, лежащая в этой области, изображает однофазную трех компонентную систему (
2 1
3
=
−
=
УСЛ
C
).
Для трехкомпонентных систем известны диаграммы растворимости с двумя и тремя областями расслоения, описания которых можно найти в руководствах по физико-химическому анализу.
Лабораторная работа № 5
Определение коэффициента распределения уксусной кислоты между
водой и органическим растворителя
Цель работы: изучение распределения уксусной кислоты между водой и органическим растворителем – бензолом при двух температурах
Задачи работы:
1.
Определить константы распределения между водой и бензолом и теплоты димеризации уксусной кислоты в соответствующем неполярном растворителе;
2.
Определить константы распределения между водой и бензолом и теплоты димеризации бензойной кислоты в соотвествующем полярном растворителе.
Рис.11. Диаграмма растворимости трех жидкостей с одной областью расслоения

58
Обеспечивающие средства:
1.
Колбы мерные емкостью 50 мл – 4 шт.;
2.
Колбы с притертой пробкой емкостью 200 – 250 мл – 4 шт.;
3.
Аппарат для встряхивания;
4.
Делительные воронки – 4 шт.;
5.
Пипетки емкостью 10 мл;
6.
Бюретки емкостью 25 мл;
Ход работы:
Приготовьте четыре водных раствора уксусной кислоты примерно следующих концентраций (моль/л): 0,3; 0,6; 0,9; 1,2.
При малом числе часов, отведенных на выполнение работы, ее могут выполнять несколько исследователей, а затем результаты исследований объединяют.
Отберите пипеткой 25 мл каждого из исследуемых растворов в отдельную коническую колбу на 100-200 мл. Туда же пипеткой внесите 25 мл органического растворителя (по указанию преподавателя). Колбы плотно закройте пробкам
Поместите колбы в аппарат для встряхивания и перемешивайте растворы (проведите экстракцию уксусной кислоты из водного раствора в органический растворитель) до установления равновесия в течение 25-30 минут.
Пока идет перемешивание растворов, определите точную концентрацию уксусной кислоты в исходных растворах методом титрования.
Приготовьте титровальную установку. Бюретку заполните водным раствором NaOH точно установленной концентрации (с известным титром).
Концентрацию титранта NaOH по возможности следует выбрать такой, чтобы она была меньше концентрации уксусной кислоты, титр которой нужно установить
Отберите пипеткой в коническую колбу для титрования на 50-100 мл 5 мл исходного водного раствора уксусной кислоты, добавьте 15-20 мл дистиллированной воды, внесите
1-2 капли индикатора фенолфталеина и оттитруйте раствором NaOH до появления неисчезающей розовой окраски.
Титрование проведите 2 - 3 раза до получения примерно одинаковых объемов NaOH
V
1
и V
2
. Рассчитайте среднее значение
V
. Результаты титрования внесите в табл. 4.
Проведите аналогичные титрования для остальных растворов уксусной кислоты.
Полученные результаты титрования внесите в табл. 4.
Выключите аппарат для встряхивания по истечении времени перемешивания
(экстракции). Содержимое каждой из колб перелейте в делительную воронку и через несколько минут после разделения слоев отделите водный слой от органического. Т.к. большая часть органических растворителей имеет плотность меньше, чем у воды, верхний слой в делительной воронке – органический, нижний – водный. Нижний водный слой слейте в чистый стакан, следя за тем, чтобы в него не попали капельки органической жидкости
(лучше оставьте

1 мл водного раствора в делительной воронке). Органический слой отбросьте в специальный сосуд для слива органических жидкостей. Водные растворы уксусной кислоты после экстракции, которые считаются равновесными, сохраните для дальнейшего исследования.
Оттитруйте по две – три пробы каждого из равновесных водных растворов уксусной кислоты (после экстракции) тем же раствором NaOH с известным. Полученные результаты титрования (V
1
, V
2
,
V
) внесите в табл. 4.

59
Таблица 4
Экспериментальные данные к работе
№ раство ра
С
эк
(NaOH), моль/л
Объем NaOH, израсходованный на титрование, мл
До перемешивания
(экстракции)
После перемешивания
(экстракции)
V
1
V
2
V
V
1
V
2
V
1 2
3 4
Таблица 5
Расчетные данные к работе
№ раство ра в
исх
С
(СН
3
СООН)
моль/л
С
в
(СН
3
СООН)
моль/л
С
0
(СН
3
СООН)
моль/л lgC
в
(СН
3
СООН) lgC
0
(СН
3
СООН)
К
1 2
3 4
Рассчитайте исходные концентрации уксусной кислоты в
исх
С
(СН
3
СООН) в водных растворах (до перемешивания) по результатам титрования (табл. 4) по формуле:
)
COOH
CH
(
V
)
NaOH
(
V
)
NaOH
(
С
)
СООН
СН
(
С
3
эк
3
в исх
⋅
=
, где С
эк
(NaOH) - молярная концентрация эквивалентов титранта NaOH, моль/л;
V
(NaOH) - средний объем NaOH, израсходованный на титрование, мл;
V(CH
3
COOH) - объем раствора СН
3
СООН, взятый для титрования, мл.
Полученные результаты внесите в табл. 5.
Рассчитайте равновесные концентрации уксусной кислоты С
в
(СН
3
СООН) в водных растворах после перемешивания (экстракции) по результатам титрования (табл. 4) по той же формуле..
Полученные результаты внесите в табл. 5.
Рассчитайте равновесные концентрации уксусной кислоты в органическом растворе
С
0
(СН
3
СООН) по формуле, которая справедлива, если при перемешивании (экстракции) взяты равные объемы водного и органического растворителя:
С
0
(СН
3
СООН) = в
исх
С
(СН3СООН) – С
в
(СН
3
СООН).
Полученные результаты внесите в табл. 5.
Рассчитайте логарифмы равновесных концентраций СН
3
СООН в водном растворе lgС
в
(СН
3
СООН) и в органическом – lgС
0
(СН
3
СООН).
Полученные результаты внесите в табл. 5.
Постройте график зависимости lgС
0
(СН
3
СООН) от lgС
в
(СН
3
СООН) (проведите прямолинейную зависимость через совокупность экспериментальных точек таким образом, чтобы они равномерно отстояли от прямой). По тангенсу угла наклона прямой определите показатель n, учитывающий возможную ассоциацию или диссоциацию уксусной кислоты в водном растворе и в органическом растворителе.
Рассчитайте коэффициент распределения уксусной кислоты между органическим растворителем и водой для каждой исследуемой системы по формуле:

60
(
)
n
3
в
3 0
)
СООН
СН
(
С
)
СООН
СН
(
С
К
=
Полученные результаты внесите в табл. 5.
Контрольные вопросы
1. Каково термодинамическое условие фазового равновесия для данного компонента в гетерогенной системе?
2. Для каких систем справедлив закон распределения?
3. Каково математическое выражение закона распределения в его простейшей форме?
4. Какие факторы влияют на коэффициент (константу) распределения?
5. В какой форме используется математическое выражение закона распределения с учетом возможной диссоциации или ассоциации распределяемого вещества в разных фазах?
6. Как с помощью величины показателя n, равного отношению средних молярных масс распределяемого вещества в двух фазах, предсказать возможность ассоциации или диссоциации распределяемого вещества в каждой из фаз?
7. Как экспериментальным методом определяют величину показателя n, учитывающего возможную ассоциацию или диссоциацию распределяемого вещества в разных фазах?
8. Что называют экстракцией?
9. Каковы количественные характеристики экстракции?
10. Какая экстракция с одним и тем же количеством экстрагента более эффективна: однократная или многократная? Почему?
11. Где применяется экстракция?
12. Как выбрать оптимальный экстрагент?
Лабораторная работа № 6
Определение коэффициента распределения иода между органическими и
неорганическими растворителями
Цель работы: определить коэффициент распределения иода между водой и органическим растворителем.
Задачи работы:
1.
Изучить равновесие распределения иода между водой и органическим растворителем при двух температурах
2.
Рассчитать среднее значение коэффициента распределения
3.
Рассчитать активность вещества в соответствующем растворителе
Обеспечивающие средства:
1.
Колбы конические емкостью 200 – 250 мл – 4 шт.;
2.
Делительные воронки с термостатными рубашками – 4 шт.;
3.
Делительные воронки без термостатной рубашки – 4 шт.;
4.
Аппарат для встряхивания
5.
Бюретки емкостью 25 мл – 2 шт.;
6.
Пипетки емкостью 5, 25 мл

61
Ход работы. Взять 0,05 н. раствор
2
I
в органическом растворителе. Приготовить четыре смеси из раствора, чистого растворителя и воды. Объемы реагентов, необходимые для приготовления реакционной смеси, приведены в таблице 6.
Таблица 6
Объемы реагирующих веществ, мл
Номер смеси
1 2
3 4
Количество, мл раствора
2
I
в органическом растворителе
5 10 12 15 органического растворителя
15 10 8
5 воды
100 100 100 100
Если опыт проводится при комнатной температуре, смеси поместить в отдельные колбы вместимостью 200-250 мл с притертыми пробками, если опыт проводится при повышенных температурах, смеси поместить в делительные воронки с термостатными рубашками.
Приготовленные таким образом смеси, помещенные в колбы вместимостью 200-250 мл или в делительные воронки и закрытые пробками, встряхивать на аппарате для встряхивания 30-40 мин. По окончании встряхивания колбы (или делительные воронки) оставить на 15-20 мин для расслоения жидкостей. Затем содержимое колб вылить в делительную воронку (без термостатной рубашки), отделить водный слой от неводного и определить содержание иода в обоих слоях титрованием гипосульфитом или, не отделяя водный слой от неводного, отобрать пробы пипеткой из водного слоя и органического слоя
(как было описано в работе 8) и оттитровать.
Для определения концентрации иода в органическом слое взять пипеткой 1-5 мл пробы и перенести в колбу для титрования, содержащую 25 мл дистиллированной воды, и титровать 0,05 н.
3 2
2
O
S
Na
в присутствии крахмала (вода добавляется, так как гипосульфитом можно титровать только водный раствор). Для определения концентрации иода в водном слое пипеткой 20-25 мл отобрать пробы и титровать 0,001 н.
3 2
2
O
S
Na
в присутствии крахмала. Каждый раствор титровать три раза и взять средний результат.
Результаты опытов записать в таблицу 7.
Таблица 7