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) + 3NH_3(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 с_{экстракт} = 40 с_{рафинат} ; с_{экстракт} = 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 V_э мл экстрагента при проведении двукратной последовательной экстракции вещества А из его водного раствора объемом V_в, 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 V_в при наличии экстрагента объемом V_э. Запишите расчетную формулу для R_max.

Рекомендации и ответ: принять, что для последовательной экстракции были взяты объемы V₁ = α V_э и V₂ = (1 – α) V_э , где параметр 0 < α < 1; рассчитать остаток вещества А в рафинате после его двукратной обработки указанными объемами экстрагента; получить выражение для степени извлечения R и продифференцировать его по α, приравняв производную к нулю; α_{оптимальн.} = 0,5 – данный объем экстрагента V_э нужно разделить пополам.