numer ćwiczenia 7	temat ćwiczenia Współczynnik podziału	data wykonania ćwiczenia 14-10-2008
		data oddania sprawozdania 21-10-2008
Grupa C2	Imię i nazwisko Michał Płotek	Nazwisko sprawdzającego dr Beata Korchowiec
Uwagi:	Ocena

Cel przeprowadzania eksperymentu:

Celem przeprowadzania eksperymentu jest wyznaczenie doświadczalne wartości współczynnika podziału Nernsta dla kwasu benzoesowego, pomiędzy fazę wodną i niemieszającą się z nią fazę toluenową, którego wartość jest równa ilorazowi stężeń kwasu w fazie wodnej i toluenowej (stężeń części niezdysocjowanej - dla fazy wodnej i niezasocjowanej – dla fazy toluenowej). Wartość tego współczynnika jest stała w warunkach izotermiczno – izobarycznych i charakterystyczna dla danej mieszaniny.

Plan pracy:

1. Na wadze analitycznej, wykorzystując naczynka wagowe, odważono cztery odważki kwasu benzoesowego o masach:

1. 0,071 g

2. 0,138 g

3. 0,207 g

4. 0,238 g

2. Odważki przeniesiono ilościowo do kolb stożkowych z doszlifowanymi korkami, używając przy tym 25 cm³ roztworu toluenu odmierzanych kolejno przy pomocy cylindra miarowego.

3. Do każdej z kolb dodano 250 cm³ wody destylowanej.

4. Kolby szczelnie zamknięto i ustawiono na wytrząsarce, na której pozostały one przez około 30 minut.

5. Tak wytrząśnięte mieszaniny przeniesiono do 4 osobnych rozdzielaczy i po kilkunastu minutach oddzielono fazę wodną od toluenowej, spuszczając fazy wodne do uprzednio przygotowanych zlewek.

6. Zawartość kwasu benzoesowego w fazie wodnej oznaczano poprzez miareczkowanie alkacymetryczne roztworem 0,01 molowej zasady sodowej wobec fenoloftaleiny. Przy czym w przypadku roztworów I oraz II (numeracja jak powyżej) oznaczano zawartość kwasu na próbkach o objętości 50 cm³, natomiast dla roztworów III i IV wykorzystano próbki 25 cm³

Nr próbki	M [g]k.benz rozpuszczonego w 25 cm^3 toluenu	V[dm^3] roztworu miareczkowanego	V [dm^3] titranta NaOH zużytego do miareczkowania	Średnia V NaOH
I	0,071	0,05	0,0113	0,01125
			0,0112
II	0,138	0,05	0,018	0,0181
			0,0182
III	0,207	0,025	0,0121	0,0125
			0,0129
IV	0,283	0,025	0,016	0,0159
			0,0158

Opracowanie wyników:

Wyniki obliczeń przedstawia poniższa tabela:

Nr próbki	Liczba moli NaOH =l.moli kwasu w próbce miareczkowanej	Stężenie kwasu w wodzie c^w [mol/dm^3]	Liczba moli kwasu w fazie wodnej	Masa kwasu w wodzie m^w[g]	Masa kwasu pozostałego w toluenie m^t[g]	Liczba moli kwasu w toluenie	Stężenie kwasu w toluenie c^t [mol/dm^3]
I	0,00011	0,00225	0,00056	0,06863	0,00238	0,00002	0,00078
II	0,00018	0,00362	0,00091	0,11041	0,02759	0,00023	0,00905
III	0,00013	0,00500	0,00125	0,15250	0,05450	0,00045	0,01787
IV	0,00016	0,00636	0,00159	0,19398	0,08902	0,00073	0,02919

Nr próbki	α	c^w(1 − α)	$$\frac{\mathbf{c}^{\mathbf{t}}}{\mathbf{c}^{\mathbf{w}}\mathbf{(}\mathbf{1 - \alpha}\mathbf{)}}$$
I	0,1557	0,0019	0,4099
II	0,1250	0,0032	2,8557
III	0,1074	0,0045	4,0037
IV	0,0958	0,0058	5,0755

Kolejność przeprowadzanych obliczeń na podstawie próbki nr II:

• Na podstawie poniższego równania reakcji ustalono, iż liczba moli NaOH użyta do miareczkowania jest równa liczbie moli kwasu benzoesowego rozpuszczonego w próbce miareczkowanej wody:

$$\overset{1\ mol}{\overbrace{C_{6}H_{5}\text{COOH}}} + \overset{1\ mol}{\overbrace{\text{NaOH}}}C_{6}H_{5}COONa + H_{2}O$$

• Liczbę moli NaOH wyznaczono przez przekształcenie wzoru na stężenie molowe:

$$C_{\text{mol}} = \frac{n}{V}\overset{\Rightarrow}{}n = C_{\text{mol}} \bullet V$$

$$n = C_{\text{mol}} \bullet V = 0,01\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 0,0181\text{\ dm}^{3} = 0,00018\ mola$$

• Stężenie kwasu benzoesowego w wodzie (V – objętość miareczkowanej próbki):

$$C^{w} = \frac{n}{V} = \frac{0,00018\ mol}{0,05\text{\ dm}^{3}} = 0,0036\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$$

• Całkowita ilość kwasu w fazie wodnej:

$$n^{w} = C_{\text{mol}} \bullet V = 0,0036\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet 0,25\ \text{dm}^{3} = 0,00091\ mola$$

• Masa kwasu zawartego w fazie wodnej:

Mmol_{k.benzoesowego} = 122g/mol

$$m^{w} = 0,00091\ mol \bullet 122\frac{g}{\text{mol}} = 0,11041\ g$$

• Masa kwasu pozostałego w toluenie to różnica odważonej na wadze masy i masy rozpuszczonej w fazie wodnej:

m^t = m − m^w = 0, 138 g − 0, 11041 g = 0, 02759 g

• Liczba moli kwasu w toluenie:

$$n^{t} = \frac{m^{t}}{122\frac{g}{\text{mol}}} = \frac{0,02759\ g}{122\frac{g}{\text{mol}}} = 0,00023\ mola$$

• Stężenie kwasu w fazie toluenowej(V – objętość fazy toluenowej):

$$C^{t} = \frac{n^{t}}{V} = \frac{0,00023\ mola}{0,025\ dm^{3}} = 0,00905\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$$

• W celu wyznaczenia stopnia dysocjacji dokonywano następujących przeliczeń:

$$K_{d} = \frac{C^{w}\alpha^{2}}{1 - \alpha}\overset{\Rightarrow}{}C^{w}\alpha^{2} + K_{d}\alpha - K_{d} = 0$$

=K_d² − 4C^w(−K_d)

$$\sqrt{} = \sqrt{{K_{d}}^{2} - 4C^{w}( - K_{d})}$$

$$\alpha_{1} = \frac{- K_{d} + \sqrt{}}{2C^{w}}$$

$$\alpha_{2} = \frac{- K_{d} - \sqrt{}}{2C^{w}} < 0\ $$

(stopien dysocjacji nie moze byc ujemny,  a wiec ten przypadek odrzucamy)

dla próbki nr II:

=K_d² − 4C^w(−K_d) = 0, 00000094

$$\sqrt{} = \sqrt{{K_{d}}^{2} - 4C^{w}( - K_{d})} = 0,000969$$

$$\alpha_{1} = \frac{- K_{d} + \sqrt{}}{2C^{w}} = 0,125$$

• Wartość otrzymane podstawiono do wzorów:

c^w(1 − α)

$$\frac{c^{t}}{c^{w}(1 - \alpha)}$$

a z otrzymanych wyników sporządzono wykres zależności $\frac{c^{t}}{c^{w}(1 - \alpha)}$ (oś pionowa Y) od c^w(1 − α) (oś pozioma X) – WYKRES NR 1

Na podstawie wykresu i dopasowanej do niego linii trendu można dostrzec, iż punkt odpowiadający wartością wyznaczonym dla próbki nr I wyraźnie odbiega od pozostałych punktów, do tego stopnia, że dopasowana do tak sporządzonego wykresu linia trendu ma równanie: y = 1177,69x - 1,413 (gdzie wartość -1,413=$\frac{1}{K_{N}}$) , z czego wynika, że wartość współczynnika podziału jest liczbą ujemną!

Prawdopodobnie przy dokonywaniu którejś z czynności na próbce nr 1 został popełniony błąd gruby (przeoczenia) – popełnienie takiego błędu powoduje wypatrzenie wyników tego pomiaru i zmusza od odrzucenia punktu odpowiadającego temu pomiarowi, przy dopasowywaniu linii trendu do wykresu (prawdopodobną przyczyną błędu jest nieprawidłowa ilość dodanej wody (pkt 3 planu pracy) – woda była dodawana przy pomocy zlewki, więc przy nalewaniu linia oznaczająca objętość 0,25 dm³ mogła zostać pomylona z linią oznaczającą objętość 0,2 dm³).

Sporządzono WYKRES NR 2 (bez pkt odpowiadającego próbce nr 1) i na jego podstawie dokonywano kolejnych obliczeń:

y = 859,4644795105 x + 0,1447735976

$$\overbrace{\frac{c^{t}}{c^{w}(1 - \alpha)}} = \overbrace{\frac{2K_{a}}{{K_{N}}^{2}}}\ \ \ \ \ \bullet \ \ \ \ \ \ \ \overbrace{\overset{\overline{}}{c^{w}(1 - \alpha)}}\ \ + \overbrace{\frac{1}{K_{N}}}$$

$$\frac{1}{K_{N}} = 0,14477K_{N} = \frac{1}{0,14477} = 6,7688$$

$$\frac{2K_{a}}{{K_{N}}^{2}} = 859,46448K_{a} = \frac{859,46448{K_{N}}^{2}}{2} = 19689,0792$$

Omówienie wyników:

Wartość rzeczywista współczynnika podziału pomiędzy fazą wodną i toluenową dla kwasu benzoesowego w temperaturze 25^OC zawiera się pomiędzy wartościami:0,17-0,083 (Kalendarz chemiczny część I PWT 1954) w zależności od ilości rozpuszczanego kwasu. Wartość osiągnięta w wyniku przeprowadzonego eksperymentu wynosi: 6,7688, a więc znacząco różni się od wyniku rzeczywistego. Analizując te wartości można dostrzec, że stężenie części kwasu niezdysocjowanego w wodzie jest, jak wskazują dane tabelaryczne, od około 6 do 12 razy mniejsze od stężenia części kwasu niezasocjowanej w toluenie. Natomiast uzyskane w czasie eksperymentu wyniki wykazują tendencję przeciwną – dają do zrozumienia, że stężenie w wodzie jest prawie 7-krotnie większe od stężenia w toluenie. Wartość uzyskana jest więc ok. 40-krotnie większa od rzeczywistej.

Różnica między obiema wartościami obrazuje jak wiele błędów zostało popełnionych w czasie prowadzenia doświadczenia. Należy uwzględnić przede wszystkim błędy powstałe w czasie przeprowadzania czynności, które miały zostać wykonane ilościowo, np. przenoszenia kwasu benzoesowego z naczynka wagowego do kolby stożkowej, przy pomocy odmierzanej cylindrem objętości roztworu toluenu. Odmierzanie objętości cylindrem jest procesem bardzo niedokładnym, a więc objętość znacząco różniła się od planowanej ilości 25 cm³. Jeszcze większym błędem obarczone było odmierzanie 250 cm³ wody przy pomocy zlewki. Zapewne także inne procesy ilościowe np. odważanie na wadze zostały wykonane zbyt mało dokładnie. Kolejną przyczyną niedokładności może być również nieprecyzyjność przy rozdzielaniu mieszaniny za pomocy rozdzielacza. Po rozdzieleniu dało się bowiem zauważyć na powierzchni wody niewielkie ilości toluenu. Stężenie kwasu w toluenie, jak wskazują wyniki tabelaryczne współczynnika podziału, przewyższa zdecydowanie stężenie w wodzie, a więc obecność w wodzie fazy toluenowej spowodowała większe zużycie titranta w czasie miareczkowania, a więc i jednocześnie wpłynęła na zawyżenie wyniku stężenia kwasu w wodzie, uzyskanego drogą obliczeń. Zawyżenie stężenia kwasu w toluenie wpłynęło z kolei na zaniżenie stężenia wyznaczanego dla fazy toluenowej (od masy odważki odejmowano masę kwasu benzoesowego zawartego w wodzie i tak otrzymywano masę zawartą w toluenie). Niedokładność w rozdzielaniu wpłynęła więc dość mocno na nieprecyzyjność wyniku, jako że wpływała na oba stężenia.

Innym czynnikiem obarczającym wynik współczynnika podziału Nernsta dużym błędem jest zbyt mała ilość punktów na wykresie $\frac{c^{t}}{c^{w}(1 - \alpha)}$ od c^w(1 − α). Linia trendu dopasowywana do jedynie trzech punktów nie daje zbyt dużej dokładności. W celu jej zwiększenia należałoby wykonać kolejne pomiary, które pozwoliłyby na wyznaczenie kolejnych punktów do wykresu.

Współczynnik podziału jest obarczony dużym błędem co powoduje, że wartość stałej asocjacji również jest obarczona podobnym błędem, a więc w dość dużym stopniu różni się od rzeczywistej.