6. Взаимная растворимость жидкостей. Закон распределения. Экстрагирование
При смешивании двух жидкостей они могут быть:
неограниченно растворимыми, т.е. растворяться друг в друге в любых соотношениях;
практически не растворимыми;
ограниченно растворимыми.
Взаимная растворимость зависит от химического строения жидкостей, которые в свою очередь делятся на полярные и неполярные.
Еще алхимиками было замечено, что «подобное растворяется в подобном», т.е. полярные жидкости хорошо растворяют полярные жидкости, а неполярные – неполярные.
По этой причине, вода – полярный растворитель хорошо растворяет полярные жидкости (уксусная кислота, этанол) и совсем не растворяет неполярные (бензол, гексан, керосин, бензин, растительное масло и др.).
Если жидкости отличаются по полярности незначительно, то они ограниченно растворяются друг в друге, образуя двухслойные системы, например, вода – анилин.
Если в систему, состоящую их двух практически не растворимых жидкостей, ввести третье вещество, способное растворяться в каждой из них, то растворенное вещество будет распределяться между обеими жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них.
Отсюда вытекает закон распределения, согласно которому отношение концентраций вещества, распределяющегося между двумя несмешивающимися жидкостями при постоянной температуре, остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества.
С1/С2 = k,
где С1 и С2 – концентрация растворенного вещества в 1-м и 2-м растворителях;
k – коэффициент распределения.
Закон распределения широко используется в процессах экстрагирования – извлечения вещества из раствора другим растворителем, не смешивающимся с первым. Закон распределения позволяет рассчитывать количество извлеченного и оставшегося в растворе вещества после однократного или многократного извлечения растворителем заданного объема при данной температуре:
,
(1)
где m1 – масса вещества, оставшегося в растворителе 1 после однократного извлечения его растворителем 2;
mо – исходное количество вещества в растворителе 1.
V1 и V2 – объем растворителей 1 и 2;
При многократном извлечении уравнение 1 примет вид:
,
где n – число извлечений.
При экстрагировании никогда не удается полностью извлечь вещество полностью. Но полнота извлечения будет больше, если раствор обрабатывать многократно малыми порциями растворителя, отделяя каждый раз полученный экстракт, чем при однократной обработке раствора большой порцией растворителя.
Экстракция применяется во многих областях техники и лабораторных исследованиях. На экстракции основано извлечение сахара из свеклы, масел из семян, многих веществ при обработке пищевых продуктов (пассирование овощей), получение фармацевтических препаратов. Так, пенициллин и ряд других антибиотиков нельзя концентрировать выпариванием, так как они разрушаются при нагревании. Для получения концентрированных растворов антибиотиков проводят экстракцию бутил- или этилацетатом.
Экстракцию широко используют для выделения из водных растворов соединений таких металлов, как уран, торий, цирконий, гафний, тантал, ниобий, галлий.