4. Количественные характеристики процессов разделения и концентрирования

СЛАЙД 7

Большинство методов разделения основано на распределении веществ между двумя фазами (I и II):

A ₁ = A ₂

Отношение суммарных концентраций всех равновесных форм Х - приблизительно постоянная величина, называемая коэффициентом распределения:

D = =

Величину D определяют опытным путем, разделяя фазы и измеряя в них концентрации Х.

При установившемся межфазном равновесии химические потенциалы вещества Х, распределяемого между двумя фазами, равны, а отношение активностей Х в этих фазах - постоянная величина, которую называют константой распределения:

СЛАЙД 8

К_D =

Если в одной из фаз вещество Х находится в нескольких переходящих друг в друга формах, (например, отличающихся по протонированности, закомплексованности или степени окисления), то извлечение каждой из них в новую фазу следует характеризовать своей константой распределения. Такие константы можно вычислить методами химической термодинамики. Для многих межфазных равновесий они определены опытным путем, значения К_D можно найти в справочниках. Они не зависят от начальной концентрации Х и не меняются в присутствии посторонних веществ. Чем больше К_D, тем лучше извлекается Х в новую фазу.

Значения К_D и D взаимосвязаны. Если вещество Х может находиться только в одной форме, тогда К_D ≈ D. Коэффициенты распределения (как и константы распределения), зависят от природы Х, природы фаз и температуры. Кроме того, значения коэффициентов распределения могут зависеть от присутствия посторонних веществ, а также от других факторов. Именно это отличает D от К_D. Фактически D – это условная константа экстракционного равновесия.

Коэффициенты распределения имеют большее практическое значение, чем константы. В частности, зная эти коэффициенты, аналитик может предвидеть полноту извлечения разных компонентов пробы, возможность их разделения в заданных условиях, и т.п. В ходе таких расчетов используют следующие характеристики, показывающие эффективность извлечения вещества А из одной фазы в другую:

Степень извлечения (R) - отношение количества вещества Х, перешедшего в новую фазу (далее обозначается как Q_X2), к исходному количеству Х (Q_X0). Вместо отношения числа молей можно взять отношение масс:

R =

Cтремятся, чтобы величина R для определяемого компонента была бы как можно ближе к 1. Отметим, что безразмерную величину R выражают и в процентах.

СЛАЙД 9

Коэффициент разделения (α) двух компонентов пробы (Х₁ и X₂) позволяет оценить возможность их разделения по данной методике. Величина α равна отношению коэффициентов распределения: α = D_х1 / D_х2

Чем сильнее отличается α от единицы, тем лучше будет идти процесс разделения Х₁ и X₂ . Однако при этом должно выполняться и дополнительное условие: произведение D_х1^.D_х2 должно быть по возможности ближе к единице. Так, если D_х1 = 10³, а D_х1 = 10^-3 , коэффициент разделения α =10⁶. Тогда Х₁ извлекается, а Х₂ практически не извлекается. Если же D_х1 = 10⁹, а D_х2 = 10³, коэффициент разделения имеет ту же величину, что и в предыдущем случае, но извлекаются оба компонента, разделения нет.

Коэффициент концентрирования (N) равен отношению концентрации Х в новой фазе (в концентрате) к исходной концентрации Х в пробе. Если потерь Х в ходе его извлечения не было, то коэффициент концентрирования приблизительно равен отношению объема пробы (V₁) к объему концентрата (V₂), или отношению соответствующих масс:

N =

Коэффициент концентрирования показывает, во сколько раз изменяется отношение абсолютных количеств микро- и макрокомпонентов в концентрате по сравнению с этим же отношением в исходной пробе.

N = ,

где q, q_проб. – количество микрокомпонента в концентрате и пробе; Q и Q_проб. – количество макрокомпонента в концентрате и пробе.