Separacje i oczyszczanie bioproduktów Data wykonania: 28.11.14r.

Piątek 13.15 - 17.00, gr M

Sprawozdanie 6

Krystalizacja

Judyta Raniś 193286

Aleksandra Kulasiak 193169

Natalia Adamczak 188847

Natalia Lisowska 193398

1. Cel doświadczenia:

• Wykreślenie krzywych nasycenia i przesycenia dla KH₂PO₄, C [g/L]=f(T) [°C] i na ich podstawie obliczenie stężenia przesycenia (ΔC) i stopnia przesycenia (P) dla KH₂PO₄.

• Zbadanie wpływu temperatury, mieszania i obecności innych substancji rozpuszczonych na szybkość procesu krystalizacji KH₂PO_4.

• Przeprowadzenie krystalizacji z reakcją chemiczną otrzymania KH₂PO_4. Zbadanie wpływu stężenia reagentów na ilość wytworzonego produktu. Obliczenie wydajności reakcji na drodze krystalizacji na podstawie pomiarów przewodnictwa jonowego.

1. Przebieg doświadczenia:

• Zadanie 1. Wyznaczanie krzywej nasycenia i przesycenia:

(Stanowisko do badania rozpuszczalności stanowi: mieszadło magnetyczne o regulowanej ilości obrotów i temperaturze płyty grzewczej, kolba stożkowa z mieszadełkiem magnetycznym zaopatrzona w gumowy korek oraz termopara podłączona do mieszadła magnetycznego z regulacją temperatury).

1. do kolby dodano 50 ml wody destylowanej i podgrzano do temperatury wskazanej przez prowadzącą. Krystaliczną sól KH2PO4 dodawano małymi porcjami, cały czas utrzymując mieszanie na mieszadle magnetycznym, do momentu aż sól całkowicie przestała się rozpuszczać we wskazanej temperaturze (zbliżanie się do punktu nasycenia roztworu, powoduje znaczne spowolnienie rozpuszczania soli). W wyniku tego otrzymano roztwór nasycony w danej temperaturze.

2. następnie otrzymany nasycony roztwór ochłodzono w temperaturze pokojowej i obserwowano zmiany co spadek o 1[°C] do momentu aż zaobserwowano pojawienie się pierwszych kryształów. Zanotowano tą temperaturę.

• Zadanie 2. Wpływ mieszania, temperatury i obecności innych substancji na szybkość krystalizacji KH₂PO₄

1. Do 3 kolb nalano po 25 ml wody destylowanej, a następnie przygotowano nasycone roztwory poprzez dodawanie małymi porcjami krystalicznego KH₂PO₄.

2. Następnie w jednej z kolb umieszczono zarodek do krystalizacji i tą kolbę oraz jedną bez dodatku umieszczono w lodówce (4°C) i co 10 minut dokonywano obserwacji przez około 1,5 h.

3. W trzeciej kolbie przeprowadzono wysalanie za pomocą skażonego alkoholu etylowego (denaturatu).

4. W związku z tym, że przeprowadzone przez nas doświadczenie z punktu b, miało zbyt krótki czas realizacji, to obserwacje i wnioski oparto na próbach innej grupy, w których czas reakcji wynosił 4,5 h.

• Zadanie 3. Krystalizacja z reakcją chemiczną otrzymywania KH₂PO₄

1. Kryształy soli otrzymano na drodze reakcji:

H₃PO₄ + KOH KH₂PO₄ + H₂O

Reakcję prowadzono w lodowej łaźni wodnej mieszając ze sobą roztwory kwasu i zasady o zadanym przez prowadzącą stężeniu. Otrzymany roztwór umieszczono w lodówce na 1,5 h i obserwowano pojawianie się kryształów. Ze względu na brak zmian po tym czasie wprowadzono do roztworu zarodek krystalizacji. Po około 3 h roztwór wyjęto z lodówki i pozostawiono w temperaturze pokojowej i po osiągnięciu temperatury otoczenia zmierzono przewodnictwo jonowe roztworu nad kryształami, skąd wyznaczono stężenie soli w roztworze za pomocą równania dla niskostężonych roztworów (do 1,5 M) zawartego w instrukcji do ćwiczenia.

1. Wyniki (lub obserwacje) i przykładowe obliczenia:

Zadanie 1.

Tabela 1.

Tnasyc. [°C]	Tprzesyc. [°C]	C [g/L]	ΔC [g/L]	P	C nasyc.z rów. [g/L]
39	32	354	24,81	1,08	329,19
47	38	398,5	44,95	1,13	353,55
54	45	393,9	-	-	-
64	54	478,7	51,00	1,12	427,70

Na szaro zaznaczony pomiar, który nie został uwzględniony w obliczeniach ze względu na zbyt duże odstawanie od pozostałych- dawałby zafałszowany wynik.

Wykres. 1 Wykreślone krzywe nasycenia i przesycenia dla KH₂PO₄

Na podstawie wyników otrzymanych w doświadczeniu, dla poszczególnych zadanych temperatur, otrzymano ich zestawienie w Tabeli 1., a następnie zobrazowano zależność C [g/L]=f(T) [°C] na Wykresie 1.

Przykładowe obliczenia:

- Obliczenie stężenia nasycenia z równania na Wykresie 1. (y = 224,94e^0,0119x)

$$C_{nasyc.\ z\ row} = y = 224,94e^{0,0119*32} = 329,19\lbrack\frac{g}{L}\rbrack$$

- Obliczenie przesycenia:

$$C{= (C - C_{nasyc.\ z\ row.})}_{T} = 354 - 329,19 = 24,81\ \lbrack\frac{g}{L}\rbrack$$

- Obliczenie stopnia przesycenia:

$$P = \left( \frac{C}{C_{nasyc.\ \ z\ row.}} \right)_{T} = \frac{354}{329,19} = 1,08$$

Zadanie 2.

Tabela 2.

warunki	obserwacje
Wysalanie	natychmiastowe pojawienie się kryształów (słabej jakości) po dodaniu porcji skażonego etanolu
Chłodzenie w 4°C	po 4,5 h zaobserwowano pojawienie się większej ilości i lepszej jakości kryształów
Chłodzenie w 4°C + zarodek	po 4,5 h zaobserwowano pojawienie się kryształów w mniejszej ilości i słabszej jakości niż bez zarodka

Zadanie 3.

Przykładowe obliczenie (dla C=1,9[M]) objętości zasady potasowej (KOH) oraz kwasu ortofosforowego (H₃PO₄) potrzebnych do przeprowadzenia reakcji wydzielenia kryształów soli KH₂PO₄.

C= C H₃PO₄ = 5 M

C= C KOH = 5 M

Vroztworu = 40 [ml] = 0,04 [dm3]

C KH₂PO₄= 1,9 M

H₃PO₄ + KOH → KH₂PO₄ + H2O

Stosunek molowy reakcji wynosi 1:1:1:1

n KH₂PO₄ = C KH₂PO₄* V= 1,9 * 0,04= 0,076 mola

n KH₂PO₄ = n H₃PO₄ = n KOH

V KOH = V H₃PO₄ = $\frac{nKH2PO4}{C}$ = $\frac{0,076}{5}$ = 0,0152 [dm3]=15,2 [ml]

Tabela 3.

C[M]	σ [mS/cm]	C roztw. [M]	wydajność [%]	C w kryształach [M]
1,9	73,2	1,02	46,11	0,88
2,1	75	1,05	50	1,05
2,3	79,2	1,11	47,6	1,19
2,5	84,2	1,16	53,6	1,34

Przykładowe obliczenia:

- Obliczanie stężenia w roztworze, przy pomocy równania zamieszonego na wykresie zależności stężenia soli od przewodnictwa dla niskostężonych roztworów do 1,5 M, zamieszczonego w instrukcji do tego ćwiczenia, c= 0,0142σ-0,0155.

C_roztw. = 0, 0142σ − 0, 0155 = 0, 0142 * 73, 2 − 0, 0155 = 1, 02 [M]

- Obliczanie stężenia w kryształach:

C_{w krysztalach} = C −  C_roztw. = 1, 9 − 1, 02 = 0, 88 [M]

- Obliczenie wydajności reakcji:

$$W = \frac{C_{w\ krysztalach}}{C}*100\% = \ \frac{0,88}{1,9}*100\% = 46,11\lbrack\%\rbrack$$

1. Wnioski:

Zadanie 1 miało na celu zbadanie rozpuszczalności KH₂PO₄ w zadanej przez prowadzącą temperaturze i na tej podstawie wykreślenie krzywych nasycenia i przesycenia, a następnie obliczenia stężenia przesycenia i stopnia przesycenia. Na podstawie wyników zgormadzonych w Tabeli 1. można zaobserwować prawidłowość wzrostu stężenia wraz ze wzrostem temperatury, które następnie zobrazowano na Wykresie 1. Ze wzrostem temperatury rośnie także rozpuszczalność soli. Analizując wyniki można także stwierdzić, że wraz ze spadkiem temperatury obserwujemy zmianę roztworu z nasyconego na przesycony i w takim roztworze wytwarzają się właśnie zarodki kryształów, a następnie powstają kryształy.

Zdanie 2 polegało na zbadaniu wpływu różnych czynników na powstawanie kryształów. Przygotowane na początku roztwory z rozpuszczoną solą posłużyły do sprawdzenia trzech przypadków. Okazało się, że najszybszą i najefektywniejszą metodą było wysalanie alkoholem etylowym (denaturatem). Kryształy wytworzyły się niemal natychmiastowo, jednak były bardzo słabej jakości. Jest to metoda także najlepsza pod względem wydajności. Badanie wpływu temperatury oraz obecności zarodka krystalizacji na powstawanie kryształów wykazało, że metoda ta jest dużo dłuższa od wysalania, natomiast daje lepsze efekty. Kryształy, które zaobserwowaliśmy w kolbach po 4,5 godzinnej reakcji były bardzo dobrej jakości, jednak w kolbie bez zarodka było ich mniej. Zarodek spowodował lokalne przesycenia i kryształki skupiały się na zarodku. Te obserwacje pozwalają wnioskować, że wytwarzanie przesycenia wysoleniem trwa dłużej niż wysalanie, jednak daje gorszą jakość kryształów.

Zadanie 3 powiodło się, po pewnym czasie zaobserwowano małe kryształy, jednak było ich stosunkowo mało ( wyglądem przypominały płatki), wydajność reakcji dla wszystkich stężeń wynosi około 50%.