Лабораторная работа № 9а Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле

Цель работы

Определить величину адсорбции уксусной кислоты из ее водного раствора на неполярной поверхности активированного угля на основе колориметрического и потенциометрического титрования раствора кислоты до и после адсорбции. Определить параметры уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха, удельную поверхность адсорбента S_уд, определить рК уксусной кислоты потенциометрическим методом.

Теоретическая часть

См. темы “Адсорбция в системе тв. сорбент - раствор, изотермы адсорбции, потенциометрия”.

Порядок выполнения работы

1) В мерной колбе вместимостью 100 мл приготовить путем разбавления одномолярного раствора уксусной кислоты раствор заданной концентрации. Для этого рассчитать необходимый объем исходного 1 М раствора CH₃COOH, отобрать его из бюретки в мерную колбу на 100 мл, разбавить дистиллированной водой до метки, тщательно перемешать.

2) В коническую колбу отобрать пипеткой 50 мл приготовленного раствора уксусной кислоты, внести 1 г толченого активированного угля и интенсивно перемешивать суспензию в течение 30 мин. до установления адсорбционного равновесия.

3) Заполнить бюретку 0,1 М рабочим раствором щелочи.

4) Уточнить начальную концентрацию С_нач уксусной кислоты в приготовленном растворе. Для этого рассчитать оптимальный объем аликвоты, исходя из величины заданной концентрации и концентрации рабочего раствора щелочи, отобрать аликвоту в колбу для титрования, добавить  20-30 мл дистиллированной воды и титровать в присутствии фенолфталеина. Титрование повторить 2-3 раза; точность параметра титрования  0,1 мл.

5) Профильтровать суспензию угля через воронку с бумажным фильтром, отбросив первые  10 мл фильтрата. Определить равновесную концентрацию раствора уксусной кислоте после адсорбции (в фильтрате). Для этого в колбу для титрования отобрать аликвоту фильтрата, добавить  20-30 мл дистиллированной воды и титровать в присутствии фенолфталеина. Титрование повторить 2-3 раза; точность параметра титрования  0,1 мл.

Таблица 1

Результаты определения адсорбции уксусной кислоты из ее водного раствора на поверхности активированного угля (m_адс=1 г, объем раствора для адсорбции 50 мл, C(1/1 NaOH)=0,1 моль/л, индикатор - фенолфталеин

Выводы

Лабораторная работа №9б

Экстракция. Определение коэффициента распределения йода

между двумя жидкими несмешивающимися фазами

Экстракцией называется 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, алкалоидов и других физиологически активных веществ, продуктов органического синтеза из их водного раствора, для разделения лекарственных препаратов и их метаболитов, для выделения этих соединений из биологических жидкостей.

В основе процесса экстракции лежит принцип: подобное растворяется в подобном, т.е., соединения с преобладающим ионным и ковалентным полярным типом связи лучше растворяются в полярных растворителях; соединения с ковалентным неполярным типом связи - в неполярных несмешивающихся с водой растворителях: четыреххлористом углероде CСl₄, хлороформе СНСl₃, бензоле, толуоле, ксилоле, эфире и т. д.

Если водный раствор, содержащий извлекаемое вещество А, привести в контакт с органическим растворителем (экстрагентом), полученную систему хорошо перемешать, взболтать, то через некоторое время она расслоится и образуется две фазы: водная и органическая, а вещество А перераспределится между ними и установится экстракционное равновесие:

А_{(водная фаза-рафинат)} = А_{(органическая фаза-экстракт)}

Коэффициент распределения условно принято выражать отношением равновесной концентрации распределяемого вещества А в органической жидкости С(А)^{экстракт} к его концентрации в водной фазе С(А)^{рафинат}:

К_{распред} = (1)

Понятия и термины, используемые в работе

Экстракция (определение); экстрагент - органический растворитель, несмешивающийся с водой, который используется для извлечения вещества А; экстракт - раствор вещества А в органическом растворителе (органическая фаза, содержащая извлеченное вещество А); рафинат - водная фаза, содержащая остаток вещества А. Экстракцию проводят в делительных воронках, позволяющих разделить контактирующие фазы после установления равновесия и полного расслаивания жидкостей. Если плотность органического растворителя меньше плотности воды, то экстракт образует верхний слой в делительной воронке; если наоборот - нижний:

Если растворенное вещество А находится в одинаковом состоянии в обеих контактирующих фазах, не ассоциирует и не диссоциирует, то коэффициент распределения приобретает свойства константы распределения (закон распределения Нернста), которая при данной температуре не зависит от концентрации исходного водного раствора.

Экстракция может быть однократной, когда экстрагент добавляется в один прием, и дробной - добавление экстрагента проводится порциями в несколько приемов. При этом, чем больше число последовательных стадий извлечения, тем больше полнота (эффективность) извлечения при одном и том же количестве взятого экстрагента.

После добавления экстрагента, встряхивания и отстаивания (расслаивание) проводят отделение водной фазы (рафината) от органической (экстракта), аккуратно сливая ее в сухую чистую колбу или стакан. Определение количества извлеченного вещества и все другие расчеты выполняют на основе результатов анализа физико - химическим или объемным методом исходного водного раствора вещества А и рафината. Для оценки степени извлечения необходимо сравнить массу извлеченного вещества с теоретически возможной (исходной) массой вещества.

Допустим, что в водном растворе объемом V₁ содержится масса вещества m₀, извлекаемого однократно органическим экстрагентом, объем которого V_э. После перехода в экстрагент некоторой массы вещества А устанавливается равновесие с соответствующими равновесными концентрациями вещества А в водной (рафинат) и органической (экстракт) жидкостях:

(2); (3),

где m₁ - масса вещества, оставшаяся не извлеченной в результате однократной экстракции, т.е., масса вещества в рафинате.

По закону распределения:

(4),

откуда (5)

Для дробной экстракции:

(6),

где m_n - масса не извлеченного вещества после n экстракций; - объем порции экстрагента; n - число экстракций.

Степень извлечения (%) (эффективность экстракции) рассчитывают при однократной экстракции:

(7), при дробной экстракции: (8).

Порядок выполнения работы

В делительную воронку вносят водный раствор объемом V₁, содержащий экстрагируемое вещество А; к нему добавляют экстрагент объемом V_э. Содержимое делительной воронки встряхивают примерно 5 минут до образования эмульсии, после чего позволяют системе расслоиться. Массу вещества А в рафинате при однократной экстракции рассчитывают по формуле:

(9);

при этом эффективность экстракции ₁ находят соответственно:

Если экстракт отделить от рафината, а к рафинату добавить новую порцию экстрагента V_э, встряхивать до образования эмульсии, дать расслоиться, то можно рассчитать массу вещества А в рафинате при двукратной экстракции:

(10);

Сравнивая значения ₁ и ₂, рассчитанное по формуле:

,

убеждаются в большей эффективности двухкратной экстракции.

Экстракцию можно выполнить дробно, разделив используемый объем экстрагента V_э на несколько порций (n порций) и последовательно, n-кратно экстрагируя вещество А из аликвоты исследуемого раствора. Масса оставшегося в рафинате вещества А при n-кратной экстракции:

Эффективность экстракции _n, рассчитанное согласно , при этом заметно возрастает.

Цель работы

Определить m(J₂) в выданной задаче (m₀) и коэффициент распределения К_{распред} йода между водной и органической (CHCl₃) жидкостями на основе анализа исходного водного раствора (задача) и рафината методом йодометрического титрования. Титрант - стандартный раствор Na₂S₂O₃.

Йодометрическое титрование или иодометрия - это метод объемного анализа, в основе которого лежат окислительно - восстановительные реакции, связанные с превращением J₂ в 2J^- и обратно:

J₂ + 2е  2J^-,

и поэтому могут использоваться для определения, как окислителей, так и восстановителей.

В качестве стандартных растворов в иодометрии используются растворы J₂ (окислитель) или Na₂S₂O₃ (восстановитель).

Определение йода тиосульфатом натрия является классическим примером йодометрического анализа. В основе определения лежит реакция:

J₂ + 2Na₂S₂O₃  2NaJ + Na₂S₄O₆

тиосульфат тетратионат

натрия натрия

J₂ + 2e  2J^-  Э(J₂) = 1/2J₂

2S₂O₃^2- - 2e  S₄O₆^2-  Э(Na₂S₂O₃) = 1/1Na₂S₂O₃

(1/2J₂) = (1/1Na₂S₂O₃)

Титрование выполняют в присутствии индикатора - свежеприготовленного раствора крахмала, который добавляют в конце титрования, когда исследуемый раствор приобретает светло - желтое окрашивание. Заканчивают титрование при полном обесцвечивании синего раствора от одной избыточной капли стандартного раствора тиосульфата натрия.

Практическая часть

1. В мерную колбу вместимостью 200 мл получить задачу - исследуемый водный раствор йода, разбавить водой до метки, тщательно перемешать.

2. Пипеткой отобрать 50,0 мл разбавленного раствора (V₁) в колбу для экстракции, добавить пипеткой 10,0 мл (V_э) экстрагента, хорошо перемешать (5-7 мин.) до образования эмульсии. При этом экстракт приобретает бурое окрашивание. Оставить систему до полного расслоения.

3. Бюретку заполнить стандартным 0,01 н раствором тиосульфата натрия.

4. Определить концентрацию йода в исходном растворе (задача). Для этого в коническую колбу для титрования отобрать аликвоту водного раствора J₂ (V_ал= 10,0 мл), разбавить дистиллированной водой ( 20 мл) и титровать стандартным раствором тиосульфата натрия до светло-желтой окраски, после чего добавить 10 капель свежеприготовленного раствора крахмала (раствор приобретает синее окрашивание) и продолжить титрование до полного обесцвечивания раствора от одной избыточной капли титранта. Титрование повторить не менее трех раз.

5. Рафинат, полученный согласно п.2 слить в небольшую сухую колбу и определить концентрацию J₂ в рафинате аналогично п.4.

Экстракт слить в специальную бутыль для сбора органических отходов.

6. Полученные в результате эксперимента данные свести в таблицу 1:

Таблица 1