Схема реакции комплексообразования
Полученный комплекс можно экстрагировать из водного раствора хлороформом. Эксперименты показали, что при достижении фазового равновесия концентрация комплекса в органической фазе в 40 раз выше, чем в водной.
3RCOOH(в) + UO22+(в) + 3NH3(в) NH4[UO2(RCOO)3] (в) + 2NH4+ (в)
NH4[UO2(RCOO)3] (в) NH4[UO2(RCOO)3] (о)
При обработке органического экстракта разбавленным раствором азотной кислоты происходит реэкстракция комплекса в водную фазу, где в кислой среде он разрушается и тем самым уранил-ион количественно (полностью) переходит в водную фазу.
NH4[UO2(RCOO)3] (о) NH4[UO2(RCOO)3] (в)
NH4[UO2(RCOO)3](в) + 3H+(в) 3RCOOH(в) + UO22+(в) + NH4+(в)
После добавления основания к полученному раствору (для нейтрализации избытка азотной кислоты и создания слабощелочной среды) его можно снова экстрагировать с помощью 2,6-терфенилкарбоновой кислоты. Повторяя эту серию процедур несколько раз, можно добиться значительного концентрирования урана в воде.
Вопросы.
I Рассчитайте молярную концентрацию уранил-иона с0 в морской воде, учитывая, что объём вод мирового океана составляет 1,3 млрд. кубических километров.
Рекомендации и ответ: каждая из форм существования урана – уранил-ион и его комплекс содержат один атом урана, поэтому молярная концентрация любой формы равна концентрации самого урана; с0 = 1,45·10–8 моль/л
II Сколько раз необходимо повторить цикл концентрирования исходной морской воды, чтобы достичь концентрации уранил-иона не менее 0,5 моль/л?
При решении используйте следующие данные:
а) при экстракции урана из водной фазы объём органической фазы в 10 раз меньше объёма морской воды;
б) при обратной экстракции урана в водную фазу объём раствора азотной кислоты в 10 раз меньше объёма органической фазы;
в) нейтрализация избытка разбавленной азотной кислоты и создание щелочной среды достигаются пропусканием газообразного аммиака через раствор, при этом увеличением объёма раствора можно пренебречь.
Рекомендации и ответ: для расчета молярной концентрации урана (точнее его комплекса) в экстракте составьте уравнение материального баланса относительно количества урана: уран из объема взятой морской воды распределяется между экстрактом и рафинатом, причем по условию задачи сэкстракт = 40 срафинат ; сэкстракт = 8с0 , а после полной реэкстрации в водную фазу с(UO22+) = 80с0. Следовательно, один цикл концентрирования приводит к 80-кратному увеличению концентрации урана, всего необходимо 4 цикла.
III Потребление урана в мире составляет около 65 тыс. тонн в год. Через сколько лет следует ожидать истощения месторождений урановой руды? Предполагая, что после этого уран будет добываться из океана, и что скорость потребления останется неизменной, оцените количество воды, которое нужно будет перерабатывать в мире ежедневно, чтобы удовлетворить потребность в уране.
Рекомендации и ответ: мировые запасы урана в виде руды 5,49·106 т, их хватит на 84,5 года; ежедневная переработка 51,6 км3 морской воды.
5 В каком соотношении необходимо разделить Vэ мл экстрагента при проведении двукратной последовательной экстракции вещества А из его водного раствора объемом Vв, чтобы степень извлечения вещества А была максимальной? Сформулируйте общее правило достижения максимальной степени извлечения вещества А при проведении его многократной последовательной экстракции из водного раствора объемом Vв при наличии экстрагента объемом Vэ. Запишите расчетную формулу для Rmax.
Рекомендации и ответ: принять, что для последовательной экстракции были взяты объемы V1 = Vэ и V2 = (1 – ) Vэ , где параметр 0 < < 1; рассчитать остаток вещества А в рафинате после его двукратной обработки указанными объемами экстрагента; получить выражение для степени извлечения R и продифференцировать его по , приравняв производную к нулю; оптимальн. = 0,5 – данный объем экстрагента Vэ нужно разделить пополам.