GRUPA NR: 24. ZESPÓŁ: 2.	ĆWICZENIE NR: 7 Współczynnik podziału słabego kwasu pomiędzy fazą wodną a organiczną.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: 04.05.2004 r.
ZESPÓŁ:			OCENA:

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Rozważając układ izotermiczno - izobaryczny złożony z dwóch praktycznie nie mieszających się cieczy 1 i 2 otrzymujemy układ 2 - fazowy ciekły, a wytworzone fazy nazwać można fazą I i II.

Faza I jest nasyconym roztworem składnika 2 w 1, faza II jest nasyconym roztworem składnika 1 w 2. Wprowadzając do jednej z tych faz substancję 3 (słaby kwas organiczny) rozpocznie się proces przenoszenia przez granicę faz substancji 3. Proces ten będzie trwał do chwili ustalenia się równowagi termodynamicznej. Zgodnie z zasadą termodynamiki dla układów wielofazowych w stanie równowagi potencjały chemiczne składnika 3 muszą być jednakowe dla obu faz.

- standardowe potencjały chemiczne składnika 3 w fazach I i II,

a zatem:

-
-odpowiednia aktywność składnika 3 w fazach I i II

Stan standardowy wybrano tak, że współczynniki aktywności są równe jedności w roztworach nieskończenie rozcieńczonych.

Dla realnych stężeń określa się tzw. współczynnik podziału Nernsta wyrażany przy pomocy stężeń:

Współczynnik podziału Nernsta jest to stosunek stężeń składnika występującego w obu fazach w postaci cząsteczek jednego typu.

Tak zdefiniowany współczynnik podziału zmienia się ze stężeniem dlatego, że roztwory nie są doskonałe.

W szczególnym przypadku składnik 3 jest w fazie I częściowo zdysocjowany, a w fazie II częściowo zasocjowany.

2. CEL ĆWICZENIA:

Na podstawie miareczkowania kwasu w fazie ksylenowej należy wyznaczyć graficznie współczynnik podziału kwasu między fazą wodną, a ksylenową oraz stałą równowagi asocjacji kwasu w fazie ksylenowej. Do dyspozycji dany jest układ trójskładnikowy dwufazowy kwas benzoesowy - woda - ksylen.

3. ZADANE PARAMETRY:

Dane są trzy naważki kwasu benzoesowego, odpowiednie objętości cieczy, tzn. ksylenu i wody. Doświadczenie prowadzi się w stałej temperaturze otoczenia. Te dane początkowe determinują zarówno stężenia każdego składnika w mieszaninie trójskładnikowej, jak i odpowiednie stężenia w fazach I i II po procesie dyfuzji przez granicę faz. W funkcji tych danych można wyznaczyć poszukiwane parametry, tzn. współczynnik podziału oraz stałą równowagi asocjacji - będące celem ćwiczenia.

4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA:

1. Przygotowanie trzech kolejnych naważek kwasu benzoesowego.

2. Rozpuszczenie naważek w trzech porcjach 25 ml ksylenu, w trzech kolbach Erlenmayer'a.

3. Przelanie roztworów do trzech szczelnych rozdzielaczy, zadanie każdego roztworu 35 ml wody.

4. Wytrząsanie trzech mieszanin, każdą w czasie minimum 20 minut, w celu dokładnego wymieszania i dyfuzji składnika 3 do dwóch faz, które się wytworzyły.

5. Pozostawienie rozdzielaczy w stanie stabilnym, każdy minimum po 30 minut, tak, aby nastąpiło dokładne rozwarstwienie dwóch faz i ich wzajemne oczyszczenie.

6. Pobranie próbek 5-mililitrowych z fazy wodnej (o większej gęstości, a więc znajdującej się u podstawy rozdzielacza) - z każdego rozdzielacza po dwie próbki.

7. Miareczkowanie każdej próbki w stałej temperaturze otoczenia, za pomocą 0,01M NaOH, w obecności fenoloftaleiny, aż do pojawienia się lekko różowego zabarwienia nie zanikającego po kilku sekundach.

Należy przeprowadzić sześć miareczkowań - po dwa dla każdego zestawu próbek z trzech rozdzielaczy.

5. WYNIKI POMIARÓW:

ZESTAWIENIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH
TEMPERATURA:
OBJĘTOŚĆ WODY / FAZY WODNEJ:
OBJĘTOŚĆ KSYLENU / FAZY KSYLENOWEJ:
OBJĘTOŚĆ PRÓBKI FAZY WODNEJ
STĘŻENIE ZASADY
MASA MOLOWA KWASU:
STAŁA DYSOCJACJI KWASU:
L.P.	m
		[g]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]	[-]
1	0.75	0.0169	0.2222	0.0597	0.0159	13.1479	13.9748	8.45
2	0.85	0.0184	0.2529	0.0573	0.0173	13.7446	14.6185	9.20
3	0.95	0.0195	0.2842	0.0557	0.0184	14.5744	15.4457	9.75

Przeliczenie stężenia
- całkowitego stężenia w fazie wodnej:

W momencie odmiareczkowania kwasu zawartego w fazie wodnej zasadą sodową o konkretnym stężeniu (gdy roztwór się nie odbarwia) można zapisać równość:

.

W związku z tym można zapisać zależność na stężenie kwasu w fazie wodnej:

.

Z kolei stężenie
- całkowite stężenie w fazie ksylenowej, określa się na podstawie bilansu składnika rozpuszczonego:

Stopień dysocjacji liczy się w oparciu o wyrażenie na stałą dysocjacji kwasu:

OPRACOWANIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH:

Dla układu trójskładnikowego dwufazowego kwas benzoesowy - woda - ksylen można zapisać równanie łączące charakterystyczne wielkości zadane i szukane:

Jest to zarazem równanie prostej y = a x + b, jeżeli przyjmie się następujące założenia:

W związku z tym można obliczyć wartości dwóch stałych charakterystycznych:

Należy jeszcze określić metodą regresji liniowej współczynniki prostej, a i b:

Stałe wynoszą odpowiednio:

Przyjęte zostało założenie, że stopień dysocjacji w tak niewielkim przedziale stężeń i przy niezmiennych warunkach układu wykazuje niewielkie fluktuacje, więc do obliczenia stałej można przyjąć wartość średnią z trzech wartości cząstkowych:

6. DYSKUSJA WYNIKÓW:

Otrzymane wyniki mogą w istotnym stopniu różnić się od wartości tabelarycznych otrzymanych teoretycznie lub w wyniku przeprowadzenia bardziej precyzyjnych badań. Do zwiększenia poprawności wyników obliczeń mogłoby się przyczynić zwiększenie liczby pomiarów, zakresu stężeń i innych wielkości charakteryzujących układ badawczy.

7. WNIOSKI KOŃCOWE:

Aby uzyskać wartości liczbowe stałych charakteryzujących układy wieloskładnikowe wielofazowe ciekłe o ograniczonej rozpuszczalności, dodatkowo z obecnością rozpuszczonego składnika stałego, należy określić warunki panujące w takim układzie. Trzeba więc przeprowadzić bilans składników po ustaleniu się stanu równowagi, przewidzieć rodzaj wzajemnych oddziaływań cząsteczek stanowiących układ, a także ustalić zależność parametrów układu od czynników zewnętrznych. Odpowiednia liczba równań pozwala na wyznaczenie poszukiwanych wartości stałych.

Przyczyny trudności i ewentualnych błędów:

1. Podstawowym problemem było ustalenie równowagi w układzie, gdyż wytrząsanie zachodziło w ograniczonym przedziale czasu, więc nie zaszła pełna dyfuzja kwasu z fazy organicznej do fazy wodnej, aby ustalił się pełny stan równowagi potrzeba - oprócz nieskończonego przedziału czasu - także nieskończonej powierzchni styku faz, co w warunkach laboratoryjnych jest oczywiście niewykonalne.

2. Czas rozwarstwiania dwóch faz w stabilnych rozdzielaczach także mógł być zbyt krótki.

3. Na dokładność miareczkowania mógł mieć wpływ tzw. błąd kropli oraz niemożność dokładnego uchwycenia momentu zobojętnienia kwasu, gdyż mogły wystąpić w kolbie lokalne odstępstwa od izotropowego rozkładu stężeń roztworu, a tym samym potrzeba było minimalnie różnej ilości zasady.

1

---