Ć W I C Z E N I E Nr 34

OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PODZIAŁU KWASU BENZOESOWEGO

W UKŁADZIE WODA - TOLUEN

Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika podziału kwasu benzoesowego
pomiędzy dwie fazy, wodna i organiczną.

Rozpatrzmy ciekły układ trójskładnikowy, złożony z dwóch składników

ciekłych,

α i β, o ograniczonej rozpuszczalności wzajemnej oraz trzeciego składnika

A, którym może być ciało stałe, ciecz lub gaz, który dobrze rozpuszcza się w obu
cieczach. W stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem, ustala się równowaga
dwóch faz ciekłych, którymi są roztwory składnika A w ciekłej fazie

α i ciekłej fazie β.

Warunkiem równowagi jest równość potencjałów chemicznych każdego składnika w
obu fazach. Dla składnika A można napisać następującą równość:

β

α

μ

=

μ

)

(

)

(

A

A

w której (

μ

A

)

α

oraz (

μ

A

)

β

oznaczają potencjały chemiczne tego składnika w każdej z

faz. Uzależniając potencjał chemiczny składnika od jego aktywności
termodynamicznej można napisać równanie:

β

β

⊗

α

α

⊗

+

μ

=

+

μ

)

a

ln(

RT

)

(

)

a

ln(

RT

)

(

A

A

A

A

które można przekształcić do zależności:

RT

)

(

)

(

)

a

(

)

a

(

ln

A

A

A

A

α

⊗

β

⊗

β

α

μ

−

μ

=

w której (a

A

)

α

i (a

A

)

β

oznaczają aktywność termodynamiczną składnika A w fazach

α

oraz

β. (μ

A

⊗

)

α

oraz (

μ

A

⊗

)

β

oznaczają standardowe potencjały chemiczne składnika A

odpowiednio w fazach

α oraz β. W stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem

wyrażenie po prawej stronie równania (3) jest wielkością stałą, co pozwala
przekształcić to równanie do następującej postaci:

const

k

)

a

(

)

a

(

A

A

=

=

β

α

Zależność ta jest najogólniejszą postacią prawa podziału, które określa jak

składnik A rozdziela się pomiędzy dwie dowolne, współistniejące w równowadze,
fazy ciekłe.

Jeżeli stężenia składnika A w obu fazach są niewielkie, można przyjąć, iż

współczynniki aktywności termodynamicznej składnika A w tych fazach, (

γ

A

)

α

oraz

(

γ

A

)

β

są bliskie jedności, co pozwala zastąpić aktywności termodynamiczne składnika

(a

A

)

α

i (a

A

)

β

, ułamkami molowymi tego składnika, odpowiednio (x

A

)

α

i (x

A

)

β

:

β

α

β

α

β

α

≅

γ

γ

≡

=

)

x

(

)

x

(

)

x

(

)

x

(

)

a

(

)

a

(

k

A

A

A

A

A

A

A

W roztworze rozcieńczonym liczba moli składnika A jest znacznie mniejsza od

liczby moli rozpuszczalnika:

rozp

A

rozp

A

A

A

n

n

n

n

n

x

≅

+

=

Ponieważ objętość roztworu jest praktycznie równa objętości rozpuszczalnika

można napisać następującą zależność określającą stężenie molowe składnika w
roztworze:

0

rozp

rozp

A

rozp

A

rozt

A

A

V

n

n

V

n

V

n

c

≡

≅

=

Uwzględniając powyższe zależności otrzymujemy równanie:

K

)

V

(

)

V

(

k

)

c

(

)

c

(

0

0

A

A

≡

⋅

=

α

β

β

α

z którego wynika, że w dostatecznie rozcieńczonych roztworach stosunek stężeń
składnika w dwóch współistniejących fazach ciekłych, zwany współczynnikiem
podziału, jest stały i niezależny od stężenia.

Wykonanie ćwiczenia

1. Sporządzić wodne roztwory kwasu benzoesowego, po 50 ml, o stężeniach

podanych przez asystenta.

2. Do suchych kolbek ze szlifem odpipetować po 25 ml z przygotowanych

roztworów kwasu benzoesowego.

3. Do każdego odpipetowanego roztworu dodać po 25 ml toluenu.
4. Po zakorkowaniu kolbki otrzymane układy dwufazowe energicznie wytrząsać

przez 3-5 min i pozostawić na kilkanaście minut aż do dokładnego
rozdzielenia faz.

5. Wyznaczyć miano roztworu NaOH, miareczkując 10 ml próbki tego roztworu

kwasem solnym o znanym mianie.

6. Oznaczyć stężenie początkowe kwasu benzoesowego w przygotowanych

roztworach, C

o

W

, przez zmiareczkowanie próbek, (V

pr

)

0

= 10 ml, wodnego

roztworu kwasu benzoesowego roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny jako
wskaźnika.

7. Po rozdzieleniu się warstw pobrać próbki, (V

pr

)

1

= 10 ml, roztworu z dolnej

warstwy wodnej i oznaczyć w niej równowagowe stężenie kwasu
benzoesowego w fazie wodnej, C

W

, przez zmiareczkowanie próbki roztworem

NaOH wobec fenoloftaleiny.

8. Wyniki pomiarów zestawić w tabelce:

Roztwory

wyjściowe

Roztwory w stanie równowagi

Lp (V

pr

)

0

(V

NaOH

)

0

C

o

w

(V

pr

)

1

(V

NaOH

)

1

C

w

C

org.

logC

w

logC

org

9. Ponieważ objętości obu faz, wodnej i organicznej, są jednakowe, stężenie

równowagowe w fazie organicznej C

org

, można obliczyć jako różnicę stężeń

kwasu benzoesowego w fazie wodnej, początkowego C

o

w

i w stanie

równowagi C

w

:

w

0

w

org

C

C

C

−

=

Opracowanie wyników.

1. Współczynnik podziału może przyjąć bardziej złożoną postać, jeżeli w jednej z

faz składnika asocjuje lub dysocjuje. Dysocjacja kwasu benzoesowego w
wodzie jest pomijalna, natomiast w roztworze toluenowym kwas benzoesowy
asocjuje współczynnik podziału wyraża zależność:

K

C

C

n

/

1

org

W

=

w której n jest liczbą wskazującą ile razy masa cząsteczkowa substancji
rozpuszczonej w fazie organicznej jest większa od masy cząsteczkowej w
roztworze wodnym.

2. Po zlogarytmowaniu tej zależności otrzymujemy równanie prostej:

org

W

C

log

n

1

K

log

C

log

+

=

3. Zależność log(C

W

) od log(C

org

) należy przedstawić na wykresie.

4. Parametry prostej logK i 1/n obliczyć albo za pomocą arkusza kalkulacyjnego,

albo metodą najmniejszych kwadratów z podanych równań:

∑

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

∑

−

∑

∑

∑

−

=

=

=

=

=

=

m

1

i

2

m

1

i

i

org

2

i

org

m

1

i

m

1

i

m

1

i

i

org

i

W

i

org

i

W

)

C

(log

)

C

(log

m

)

C

(log

)

C

(log

)

C

log(

)

C

[(log

m

n

1

m

)

C

(log

)

n

1

(

m

)

C

(log

K

log

m

1

i

i

org

m

1

i

i

W

∑

⋅

−

∑

=

=

=

w których m jest liczbą punktów, wyznaczonych w doświadczeniu.