AKADEMIA TECHNICZNO–HUMANISTYCZNA

w Bielsku–Białej

Ćwiczenie nr 4



Temat:

Wyznaczanie współczynnika podziału Nernsta

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ

Ćwiczenie nr 4

Str. 2

1. Wstęp teoretyczny

Gdy do układu dwóch praktycznie nie mieszających się cieczy i rozpuszczalników

doda się trzeciej cieczy (lub ciała stałego) rozpuszczonej w dwu pierwszych, wówczas po

ustaleniu się stanu równowagi stosunek stężeń roztworów rozcieńczonych (lub

aktywności w przypadku roztworów bardziej stężonych tego składnika) w obu fazach

ciekłych jest wielkością stałą w danej temperaturze, zwaną współczynnikiem podziału

Nernsta:

K

a

a

D

1

2

=

K

(1)

C

C

D

1

2

=

a

1,2

- aktywności substancji rozpuszczonej w pierwszej i drugiej cieczy,

C

1,2

- stężenie substancji rozpuszczonej w pierwszej i drugiej cieczy,

K

D

- współczynnik podziału Nernsta.

Stałość stosunku stężeń w równowadze podziału zachowana jest wyłącznie

w przypadku spełnienia założenia, że substancja rozpuszczona występuje w obu

rozpuszczalnikach w postaci identycznych cząsteczek, a roztwór jest rozcieńczony.

Jeżeli w jednej z faz ciekłych następuje asocjacja lub dysocjacja cząsteczek

substancji rozpuszczonej, wówczas wartość współczynnika podziału przestaje być stała.

W tym przypadku współczynnik Nernsta można przedstawić następująco:

K

C

D

1

=

C

2

n

(2)

n - stosunek masy cząsteczkowej M

1

substancji rozpuszczonej w pierwszej cieczy

do masy cząsteczkowej M

2

tejże substancji rozpuszczonej w drugiej cieczy.

Istnieją również układy, w których substancja rozpuszczona występuje w postaci

kilku rodzajów cząsteczek. W tym przypadku ustala się równowaga podziału tej

substancji między dwie fazy i równowaga asocjacji (dysocjacji) w danej fazie. Prawo

podziału należy wówczas stosować do każdego rodzaju cząsteczek z osobna.

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ

Ćwiczenie nr 4

Str. 3

Zależność współczynnika podziału od temperatury ujmuje wzór izobary

Van`t Hoffa:

d K

dT

H

RT

D

D

ln

=

2

(3)

gdzie: H

D

jest entalpią przejścia 1 mola danej substancji z jednej fazy ciekłej

do drugiej.

Po scałkowaniu powyższej zależności przy założeniu, że H

D

jest niezmienne

w badanym zakresie temperatur, otrzymuje się wyrażenie:













−

−

=

1

2

D

D,2

D,1

T

1

T

1

R

H

K

K

ln

(4)

Wyznaczywszy eksperymentalnie stałą podziału dla różnych, lecz niezbyt

odległych od siebie temperatur, można wyliczyć H

D

w oparciu o wzór:

H

T T R ln

K

K

T

T

D

2

1

D, 1

D, 2

2

1

=

⋅ ⋅ ⋅

−

(5)

2. Sposób wykonania ćwiczenia

a) Aparatura

8 kolb stożkowych, 5 probówek ze szlifem, 1 pipeta na 20 ml, 1 pipeta kalibrowana

na 5 ml, 1 pipeta kalibrowana na 2 ml, 2 butelki ze szlifem, 1 cylinder miarowy na 50 ml,

termostat.

b) Odczynniki

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ

Ćwiczenie nr 4

Str. 4

Woda destylowana, rozpuszczalniki organiczne (benzen, toluen, chloroform,

alkohol amylowy, czterochlorek węgla, dwusiarczek węgla, eter etylowy, anilina), kwas

octowy, kwas solny, kwas mrówkowy.

c) Wykonanie ćwiczenia

Przygotować 5 roztworów wodnych lub anilinowych o określonym stężeniu

substancji badanej (do sporządzenia wodnego roztworu kwasu octowego o danym

stężeniu należy stosować 80 % CH

3

COOH, natomiast do sporządzenia roztworu

anilinowego 100% CH

3

COOH).

Do probówek ze szlifem nalać pipetą 20 ml każdego z przygotowanych roztworów

(wodnych lub anilinowych) o zadanych stężeniach. Następnie do każdej probówki dodać

20 ml rozpuszczalnika organicznego, zakorkować i wstrząsnąć energicznie, a następnie

termostatować w określonej temperaturze przez około 30 min. W czasie termostatowania

wstrząsać zawartość probówki co około 3 min. W tym czasie miareczkować wyjściowe

roztwory wodne lub anilinowe substancji badanej 0,1 N roztworem ługu sodowego

w obecności fenoloftaleiny.

Do miareczkowania brać 2 ml roztworu wodnego ( lub anilinowego) CH

3

COOH

lub HCl. Z trzech miareczkowań każdego roztworu wziąść średnią i zanotować objętość

w ml zużytego odczynnika (oznaczyć przez a

1

). Po określonym czasie wyjąć probówki

z termostatu, nabrać pipetą 2 ml warstwy wodnej lub anilinowej ( w przypadku, gdy

warstwa wodna lub anilinowa jest warstwą dolną, zanurzając pipetę w warstwie

organicznej zakryć jej górny otwór, aby ciecz organiczna nie dostała się do pipety;

następnie pipetą przedmuchać i nabrać określoną objętość roztworu) i miareczkować

analogicznie jak roztwory wyjściowe. Objętość odczynnika miareczkującego oznaczyć

jako b

1

. Pomiary wykonać przy różnych temperaturach.

3. Sposób opracowania wyników

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ

Ćwiczenie nr 4

Str. 5

Wyniki ćwiczenia zestawić w tabeli. Drugą taką tabelę sporządzić dla pomiarów

w drugiej temperaturze.

Na podstawie wyników ćwiczenia wykreślić zależność stężenia substancji badanej

w jednej warstwie c

1

od stężenia tej substancji w warstwie drugiej c

2

. Jeżeli wykres jest

linią prostą, wnioskuje się, że substancja badana nie asocjuje ani nie dysocjuje w żadnym

z rozpuszczalników. Wówczas do obliczania stałej podziału stosuje się równanie (1).

Jeżeli wykres zależności c

1

= f(c

2

) nie jest linią prostą, wówczas należy sporządzić

wykres log c

1

= f(log c

2

). W przypadku, gdy otrzyma się linię prostą, stałą podziału K

oblicza się z równania (2).

Roztwór wyjściowy.

Warstwa wodna (lub anilinowa)

po ustaleniu się równowagi

podziału.

Pomiar Objętość

zużytego

odczynnika

a1 [ml]

Średnie

a1.

Pomiar Objętość

zużytego

odczynnika

b1[ml].

Średnie b1. Stężenie

C1

log C1 a2=a1-b1 Stężenie

C2

log C2 KD

1

1

2

2

3

3

Wartość n oraz K

D

można otrzymać z wykresu log c

1

= f(log c

2

), gdyż po

zlogarytmowaniu równania (2) otrzymuje się:

log c

1

= n log c

2

+ log K

D

gdzie: n - jest współczynnikiem kierunkowym prostej,

log K

D

jest wartością rzędnej dla log c

2

= 0.

W przypadku, gdy wykres zależności log c

1

= f(log c

2

) nie jest linią prostą,

wnioskuje się, że oprócz równowagi podziału ustaliła się także równowaga asocjacji

(dysocjacji) substancji badanej w jednej z warstw. Przy obliczaniu współczynnika

podziału Nernsta w tym przypadku uwzględnić należy stałą równowagi asocjacji

(dysocjacji) cząsteczek substancji badanej.

Otrzymuje się wówczas następujące równanie na stałą podziału:

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ

Ćwiczenie nr 4

Str. 6

K

C C

C C

C C

C

C

1

"

2

'2

1

'

2

"2

2

"

2

'2

2

"2

2

'

=

⋅

−

⋅

⋅

−

⋅

C

1

- stężenie substancji badanej w cieczy 1,

C

2

- stężenie substancji badanej w cieczy 2,

Indeksy "prim" i "bis" oznaczają stężenia substancji po osiągnięciu równowagi przy

dwóch różnych stężeniach wyjściowych roztworów.

Ćwiczenie wykonać w dwóch różnych temperaturach i wyliczyć

KD,1, KD,2 i HD

.

4. Pytania kontrolne

1.Jakie znaczenie ma liczba obecnych w układzie faz?
2.Omówić układ zawierający cząstki pozostające ze sobą w stanie równowagi

chemicznej.

3.Narysować i omówić wykresy fazowe dwuskładnikowych układów ciekłych

rozdzielających się na dwie fazy.

4.Podać najważniejsze sposoby wyrażania stężenia roztworu.
5.Co to jest aktywność substancji rozpuszczonej?
6.Omówić prawo podziału Nernsta.
7.Jak wpływa temperatura na wartość współczynnika podziału Nernsta?
8.Jakie błędy możemy popełnić w trakcie wykonywania ćwiczenia?

5. Literatura

1.Chemia fizyczna K.Gumiński, PWN, 1973, str.527–536.
2.Podstawy Chemii Fizycznej R.Brdicka, PWN, 1970, str.570–574.
3.Ćwiczenia Laboratoryjne z Chemii Fizycznej Praca zbiorowa pod red.A.Dorabialskiej,

PWN, 1955, str.227–229.

4.Chemia Fizyczna W.Tomassi, H.Jankowska, PWN Warszawa, 1973, str.136–138.
5.Ćwiczenia Laboratoryjne z Chemii Fizycznej Praca zbiorowa pod red. J.Podkówki,

skrypt uczelniany, 1977, str.100–102.

LABORATORIUM CHEMII FIZYCZNEJ