Wydział: WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH	Data wykonania : 25.03.2015
Kierunek: Metalurgia	ĆWICZENIE: 3
Temat: Ekstrakcja miedzi z roztworów amoniakalnych za pomocą ciekłego wymieniacza jonowego.
Zespół nr: 2 Wykonała: Justyna Juszkiewicz	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny

Ekstrakcją nazywamy wyodrębnianie składnika lub składników mieszanin metodą dyfuzji do cieczy lepiej rozpuszczających te związki chemiczne. Pojęcie to odnosi się najczęściej do procesów prowadzonych w układach ciecz – ciecz, w obszarze ograniczonej mieszalności. Ekstrakcją nazywa się również analogiczny proces, prowadzony w układach ciecz – ciało stałe.

Rozróżniamy dwa podstawowe typy ekstrakcji rozpuszczalnikowej :

• Ekstrakcja fizyczna, która wykorzystuje różnice rozpuszczalności danej substancji
  w fazie wodnej

• Ekstrakcja chemiczna, która związana jest z przebiegiem reakcji chemicznej substancji X ze składnikiem Y zawartym w jednej lub obu fazach, przy czym produkt tej reakcji jest w rozpuszczalny w różnym stopniu w obu fazach ciekłych. Jako substancję Y stosuje się związki zawierające heteroatomy, zdolne do tworzenia połączeń chelatowych.

Zgodnie z przyjętą w chemii ekstrakcji metali nomenklaturą przez rozpuszczalnik rozumiemy fazę ciekłą, zwykle organiczną, lub też roztwór ekstrahenta w organicznym rozcieńczalniku używany do ekstrakcji substancji z innej fazy, zwykle fazy wodnej. W tym ujęciu różnica pomiędzy rozcieńczalnikiem a rozpuszczalnikiem polega na tym, że rozpuszczalnik ma istotne właściwości ekstrakcyjne w stosunku do ekstrahowanej substancji a rozcieńczalnik ich nie posiada.

W przypadku równowagowego podziału substancji X pomiędzy dwie fazy wodną i organiczną, który to podział opisać można reakcją równowagową:

X_aq = X_org

Stałą podziału tej substancji zapisujemy w następującej formie:

$$\mathbf{D =}\frac{\mathbf{c}_{\mathbf{o}}}{\mathbf{c}_{\mathbf{w}}}$$

D– współczynnik podziału
c_o– stężenie równowagowe substancji X w fazie organicznej
c_w– stężenie równowagowe substancji X w fazie wodnej

1. Cel Ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wielkości charakteryzujących proces ekstrakcji miedzi z amoniakalnych roztworów wodnych przy użyciu ekstrahenta LIX 622.

1. Wykonanie ćwiczenia

Na początku określono początkowe stężenie jonów Cu²⁺ w otrzymanym roztworze wodnym. Oznaczenie przeprowadzono na drodze miareczkowania kompleksometrycznego z zastosowaniem EDTA w obecności PAN jako wskaźnika. Pobrano 5cm³ roztworu do analizy, następnie zobojętniono próbkę 2M CH₃COOH i dodano jeszcze 1cm³ tego samego kwasu, ale stężonego oraz 3 krople PAN.

Do zmiareczkowania próbki zużyto odpowiednio w dwóch próbach:

1. 28,4 cm³ EDTA

2. 28,8 cm³ EDTA

Następnie przystąpiono do określenia czasu równowagowego, czyli do badania kinetyki reakcji. Do 5 suchych kolb miarowych 500 cm³ odmierzono po 25 cm³ roztworu wodnego i roztworu LIX 622 (20%). Wynika z tego, że roztwory były w stosunku 1/1. Wytrząsanie roztworów prowadzono przez kolejno: 5s ; 15s ; 30s ; 60s (wstrząsano kolby ręcznie). Każdy roztwór po wytrząsaniu przelano do rozdzielaczy. Roztwór po pewnym czasie zaczął dzielić się na faze organiczną i nieorganiczną.

Następnie zlano do erlenmayerek (przez sączek umieszczony w lejku) wyklarowany roztwór, tak, aby nie przedostała się do niego faza organiczna. Każdy z odfiltrowanych roztworów zmiareczkowano na tych samych zasadach, jak w przypadku początkowego oznaczania jonów miedzi w roztworze wodnym.

Tab.1 Dane pomiarowe.

CZAS WYTRZĄSANIA (s)	ILOŚĆ ZUŻYTEGO EDTA (cm^3)
0	28,6
5	23,5
15	23,2
30	22,9
60	22,8

Tab. 2 Stężenie jonów Cu²⁺

Stężenie Cu^2+, g/dm^3

Nr próbki

0

1

2

3

4

Określenie początkowego stężenia jonów Cu²⁺ w otrzymanym roztworze wodnym :

$$c_{w} = \frac{c_{\text{EDTA}} \times \ v_{\text{EDTA}} \times \ M_{\text{Cu}}}{v_{p}} = \frac{0,1 \times \ 28,6 \times \ 63,5}{5} = 36,322\frac{g}{\text{dm}^{3}}$$

$c_{w} = \frac{c_{\text{EDTA}} \times \ v_{\text{EDTA}} \times \ M_{\text{Cu}}}{v_{p}} = \frac{0,1 \times \ 29,25 \times \ 63,5}{5} = 37,148\frac{g}{\text{dm}^{3}}$

C_EDTA – stężenie roztwory EDTA; 0,1 [mol/dm³]

V_EDTA – objętość roztworu EDTA, zużytego na miareczkowanie; [cm³]

M_Cu – masa molowa miedzi; 63,6 [g/mol]

V_p – objętość próbki pobranej do miareczkowania; 5 [cm³]

Określenie stężenie jonów Cu²⁺ w fazie organicznej :

$$c_{o} = \frac{(c_{w,\ 0} - \ c_{w}) \times \ V_{w}}{V_{o}} = \frac{\left( 36,322 - 29,845 \right)*25}{25} = \ 6,477\frac{g}{\text{dm}^{3}}$$

c_{w, 0} – początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

c_w – stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

V_w – objętość fazy wodnej, [25 cm³]

V_o – objętość fazy organicznej, 25[ cm³]

Wyk.1 Zależność stężenia jonów miedzi w fazie organicznej od czasu wstrząsania.

W drugim punkcie ćwiczenia należało wyznaczyć izotermy ekstrakcji. Odmierzono do pięciu kolb miarowych odpowiednie ilości roztworu wodnego i 10% LIX 622 w stosunku (4:1,3:1,2:1,1:2,1:4). Następnie prowadzono wytrząsanie w okresie 60s (czas wyznaczony wcześniej). Z próbkami postąpiono analogicznie jak w poprzednim podpunkcie.

Tab.3 Dane pomiarowe

Stosunek objętości faz	EDTA [cm^3]
4:1	3,8
3:1	12,1
2:1	17,9
1:2	24,9
1:4	26,9

Tab.4 Izoterma ekstrakcji – wyniki pomiarów

Nr próbki	Stosunek objętości faz o/w	Objętość, cm^3	VEDTA, cm^3 (średnia)	stężenie Cu^2+, g/dm^3	Wsp. ekstrakcji E, %	Wsp. podziału Dc	log Dc	log o/w
		Kolba miarowa	10% LIX 622	Roztwór wodny		faza wodna cw	faza organiczna co
1	4:1	500	100	25	7,8	9,906	6,604	18,182
2	3:1	500	75	25	12,1	15,367	6,985	24,123
3	2:1	500	50	25	15,2	19,304	8,509	29,258
4	1:2	500	25	50	24,9	31,623	9,398	31,897
5	1:4	500	25	100	26,2	33,274	12,192	40,851

t_R = 60s faza organiczna: 10% LIX 622 c_w,0 = 36,322 g/dm³

Wyniki miareczkowania posłużyły do obliczenia stężenia jonów Cu²⁺ w fazie wodnej :

$$c_{w} = \frac{c_{\text{EDTA}} \times \ v_{\text{EDTA}} \times \ M_{\text{Cu}}}{v_{p}} = \frac{0,1 \times 7,8 \times \ 63,5}{5} = 9,906\ \frac{g}{\text{dm}^{3}}$$

C_EDTA – stężenie roztwory EDTA; 0,1 [mol/dm³]

V_EDTA – objętość roztworu EDTA, zużytego na miareczkowanie; [cm³]

M_Cu – masa molowa miedzi; 63,6 [g/mol]

V_p – objętość próbki pobranej do miareczkowania; 5 [cm³ ]

Stężenie jonów Cu2+ w fazie organicznej c_o wyznacza się pośrednio, znając stężenia w fazie wodnej( początkowe c_w,o oraz po zakończeniu ekstrakcji) :

$$c_{o} = \frac{(c_{w,\ 0} - \ c_{w})*\ V_{w}}{V_{o}} = \frac{\left( 36,322 - 9,906 \right)*25}{100} = 6,604\frac{g}{\text{dm}^{3}}$$

C_{w, 0} – początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

C_w – stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

V_w – objętość fazy wodnej

V_o – objętość fazy organicznej

Na podstawie obliczonego stężenia jonów miedzi w fazie organicznej obliczono współczynnik ekstrakcji wg wzoru:

Ec_o $= \frac{c_{o}}{c_{w,o}}*100\% = \frac{6,604}{36,322\ }*100\% = 18,182\%$

c_o – stężenie jonów miedzi w roztworze organicznym [g/dm³]

c_{w, 0} – początkowe stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

Współczynnik podziału:

$$D = \frac{c_{o}}{c_{w}} = \frac{6,604}{9,906} = 0,667$$

c_o – stężenie jonów miedzi w roztworze organicznym [g/dm³]

c_w – stężenie jonów miedzi w roztworze wodnym [g/dm³]

log D_c = log 0,667= -0,176

Wyk. 2 Izoterma ekstrakcji

Wyk. 3 Zależność stężenia jonów Cu²⁺ w fazie organicznej od stosunku objętości faz organicznej do wodnej.

Wyk.4 Zależność stopnia ekstrakcji od równowagowego stężenia jonów Cu²⁺ w fazie wodnej.

Wyk.5 Zależność stopnia ekstrakcji jonów Cu²⁺ w fazie organicznej od stosunku objętości faz organicznej do wodnej.

Wyk.6 Zależność współczynnika podziału D od stosunku objętości faz organicznej do wodnej.

Wyk.7 Zależność dziesiętnego logarytmu z współczynnika podziału D od dziesiętnego logarytmu ze stosunku objętości faz organicznej do wodnej.

1. Dyskusja

Na podstawie obliczeń i wykonanych obliczeń do ćwiczenia możemy stwierdzić, że zgodnie z zasadą ekstrakcji rozpuszczalnikowej jony miedzi Cu²⁺ przechodzą z roztworu wodnego do fazy organicznej. Im dłuższy czas wytrząsania, czyli mieszania się ze sobą obu faz, tym więcej jonów miedzi przechodzi do fazy organicznej z fazy wodnej.

Za pomocą wykresu C_o=f(t) wyznaczyliśmy czas równowagowy t_r który wyniósł 60 sekund – jest to czas potrzebny do osiągniecia stanu równowagi.

Zależności wyznaczone za pomocą wykresów pokazują, że:

- stężenie jonów Cu²⁺ w fazie wodnej wzrasta wraz z stężeniem w fazie organicznej(wykres izotermy ekstrakcji);

- w fazie organicznej stężenie jonów Cu²⁺ zależy od stosunku objętości fazy organicznej od wodnej;

- wraz z wzrostem objętości fazy organicznej zmniejsza się stężenia jonów Cu²⁺ w fazie organicznej;

- współczynnik ekstrakcji jest zależny od stężenia jonów miedzi w fazie organicznej oraz rośnie wraz z nim;

- im większy udział fazy organicznej w roztworze tym współczynnik podziału jest mniejszy;

- zależności logarytmu współczynnika podziału D od logarytmu ilorazu fazy organicznej i wodnej ukazuje tendencję rosnącą.

1. Wnioski

Na podstawie obserwacji, wykonanych obliczeń, sporządzonych wykresów oraz ich przeanalizowaniu możemy wyciągnąć następujące wnioski:

-fazę wodną da się oddzielić od fazy organicznej przy użyciu rozdzielaczy w dosyć krótkim czasie;

-aby osiągnąć stan równowagi próbki należy wstrząsać przez 60 sekund – t_{R =} 60 s;

-stężenie jonów Cu²⁺ w fazie organicznej zależy od stosunku objętości fazy organicznej do fazy wodnej;

-współczynnik ekstrakcji wzrasta wraz ze wzrostem stężenia jonów miedzi fazy wodnej, natomiast wraz ze wzrostem stosunku objętości fazy organicznej do fazy wodnej stopień ekstrakcji maleje;

6. Literatura

1. Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego- Kinetyka reakcji w układzie: faza stała – faza ciekła. Faza stała występuje w postaci ziaren o kształcie zbliżonym do kulistego

2. Atkins PW- Chemia fizyczna