Ć W I C Z E N I E Nr 36

OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PODZIAŁU ACETONU

POMIĘDZY TOLUEN I WODĘ METODĄ REFRAKTOMETRYCZNĄ

Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika podziału acetonu pomiędzy dwie
fazy, wodną 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 fazieβ.

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

=

(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 powyższego równania jest wielkością stałą, co pozwala
przekształcić to równanie do następującej postaci:

const

k

)

a

(

)

a

(

A

A

=

=

β

α

Jeżeli stężenia składnika A w obu są niewielkie można przyjąć, iż współczynniki
aktywności termodynamicznej składnika A w obu 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

≅

+

=

natomiast objętość roztworu rozcieńczonego jest praktycznie równa objętości
rozpuszczalnika, co pozwala 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. W suchych kolbkach przygotować kolejno roztwory acetonu w toluenie, około

10 ml, o stężeniach podanych przez asystenta. Uwaga! Aceton jest bardzo
lotny i dlatego nie należy pozostawiać przygotowanych roztworów w otwartych
kolbkach.

2. Odpipetować po 5 ml każdego roztworu do kolbki o pojemności 25 ml, dodać 5

ml wody, szczelnie zakorkować kolbkę, a przygotowany układ dokładnie
wytrząsnąć i pozostawić na kilkanaście minut do rozdzielenia faz.

3. Z pozostałego wyjściowego roztworu acetonu w toluenie pobrać suchą pipetką

około 1ml i oznaczyć współczynnik załamania światła (n)

pocz

.

4. Po rozwarstwieniu faz pobrać ostrożnie, suchą pipetką, około 1 ml roztworu

acetonu w toluenie, z warstwy górnej, i oznaczyć współczynnik załamania
światła (n)

rów

.

5. Wyniki pomiarów zestawić w tabelce:

Lp. Roztwór

wyjściowy Roztwory

równowagowe

n (C

0

)

T

n (C)

T

(C)

W

Opracowanie wyników

1. Stężenie acetonu w toluenie można obliczyć z zależności:

0104

0

49623

1

,

n

,

C

−

=

wyznaczonej na podstawie kalibracji, w której c jest stężeniem acetonu, w
mol/dm

3

, n jest współczynnikiem załamania światła.

2. Wykorzystując wartości współczynników załamania światła zmierzone dla

roztworu wyjściowego i w stanie równowagi, obliczyć stężenia acetonu w
toluenie: początkowe (C

0

)

T

i w stanie równowagi (C)

T

.

3. Ponieważ objętości obu faz, toluenowej i wodnej, są jednakowe,

równowagowe stężenie acetonu w fazie wodnej (C)

W

jest równe:

.

T

T

0

w

)

c

(

)

c

(

)

c

(

−

=

4. Zależność stężenia acetonu w toluenie (C)

T

od stężenia acetonu w wodzie

(C)

W

przedstawić na wykresie.

5. Obliczyć współczynnik kierunkowy prostej, przechodzącej przez początek

układu, który jest równy współczynnikowi podziału K.

6

6

.

.

Obliczenia wykonać albo za pomocą arkusza kalkulacyjnego, albo metodą

najmniejszych kwadratów:

2

W

k

1

i

W

T

k

1

i

)

C

(

C

C

K

=

=

Σ

⋅

Σ

=