Data: 24.11.2008	Imię i Nazwisko: Monika Kluzek	Grupa: B1
Nr. Ćwiczenia: 7	Tytuł Ćwiczenia: WSPÓŁCZYNNIK PODZIAŁU	Nr. Grupy: 2	Nazwisko Asystenta: dr Joanna Kowal

1. Cel Ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ilościowe zbadanie procesu rozdziału kwasu benzoesowego miedzy dwa nie

mieszające sie ze sobą rozpuszczalniki i podanie równania opisującego ten podział.

1. Opis przeprowadzonych pomiarów

Na wadze analitycznej odważono cztery nadważki kwasu benzoesowego o masach kolejno: 0,200g;

0,111g; 0,092g; 0,294g. Następnie każdą nadważkę przeniesiono ilościowo do butelek z doszlifowanym korkiem i dodano po 25 cm³ toluenu . Wymieszano. Dodano następnie po 250 cm³ wody destylowanej. Butelki wytrząsano na wytrząsarce przez ok. 45 minut, po upływie tego czasu każda substancję przelano do rozdzielaczy. Gdy była już dosyć wyraźna granica faz zlano do zlewek ok. ¾ warstw wodnych ( Rysunek 1) po czym pobrano pipetą 50 cm³ roztworów o stężeniach niskich, a o wyższych stężeniach 25 cm³ i przeniesiono do erlenmajerek. Każdy roztwór miareczkowano dwukrotnie 0,01M roztworem NaOH w obecności fenoloftaleiny .

Wyniki pomiarów przedstawiono w Tabeli 1.

Równanie 1 Schemat rozdziału substancji między dwie fazy

Tabela 1 Wyniki miareczkowania

Nr	Masa nadważki [g]	Objętość NaOH użytej podczas miareczkowania [cm^3]
		I miareczkowanie
1	0,200	12,5
2	0,111	14,1
3	0,092	13,6
4	0,294	15,1

1. Opracowanie otrzymanych wyników

1. Stężenie kwasu benzoesowego w warstwach wodnych

Do obliczenia całkowitego stężenia kwasu benzoesowego w fazie wodnej skorzystano ze wzoru:

[C₆H₅COOH]_w =$\ \frac{\ C_{\text{NaOH}}\ \bullet \text{\ V}_{\text{NaOH}}}{V_{\text{kwasu}}}$

gdzie:

• C_NaOH – Stężenia roztworu NaOH użytego do miareczkowania $\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$

• V_NaOH – Objętość NaOH użyta do miareczkowania kwasu benzoesowego [cm³]

• V_kwasu - Objętość miareczkowanej próbki kwasu [cm³]

‘

Podstawiając dane dla pierwszego pomiaru otrzymujemy:

[C₆H₅COOH_c]_w =$\ \frac{\ 0,01\ \bullet 12,35}{25} =$0,020$\ \lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$

Pozostałe obliczenia zestawiono w Tabeli 2.

Tabela 2 Stężenia kwasu benzoesowego w fazach wodnych

Nr	Masa nadważki [g]	Stężenie kwasu benzoesowego w fazie wodnej $$\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$
1	0,200	0,00494
2	0,111	0,00283
3	0,092	0,00274
4	0,294	0,00602

Dzięki otrzymanym wynikom stężenia można obliczyć masę kwasu benzoesowego w fazie wodnej:

$${Cm}_{w} = \ \frac{n}{V}\ \lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$

gdzie:

• n- ilość moli kwasu benzoesowego [mol]

• objętość V= 0,25 [dm²]

czyli :

n = Cm_w  •  V

$$n\ = \frac{m_{w}}{M}$$

M – masa molowa kwasu benzoesowego M_C6H5COOH = 122,12$\text{\ \ }\lbrack\frac{g}{\text{mol}}\rbrack$

Stąd wynika, że masa kwasu benzoesowego wynika z równania :

$m_{w} = \frac{{Cm}_{w}\ \bullet \ V}{M}\ \lbrack g\rbrack$

Wyniki obliczeń w Tabeli 3.

Tabela 3 Masa kwasu benzoesowego w fazie wodnej

Nr	Masa nadważki [g]	Stężenie kwasu benzoesowego w fazie wodnej $$\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$	Ilość moli kwasu benzoesowego w fazie wodnej [mol]	Masa kwasu benzoesowego w fazie wodnej [g]
1	0,200	0,00494	0,001235	0,1508182
2	0,111	0,00283	0,0007075	0,0863999
3	0,092	0,00274	0,000685	0,0836522
4	0,294	0,00602	0,001505	0,1837906

1. Masa kwasu benzoesowego w fazie toluenowej

By obliczyć masę kwasu w fazie toluenowej należy skorzystać ze wzoru na różnicę mas odważki, a kwasu w fazie wodnej:

m_t =m_o-m_w

gdzie:

• m_t – masa kwasu benzoesowego w fazie toluenowej [g]

• m_o – całkowita masa odważki [g]

• m_w – masa kwasu benzoesowego w fazie wodnej [g]

Wyniki obliczeń zestawiono w Tabeli 4

Dzięki otrzymanej masie kwasu można obliczyć jego stężenie w fazie toluenowej :

$$c_{t} = \frac{m_{t}}{M \bullet V_{}}$$

gdzie:

• C_t – Stężenie kwasu benzoesowego w fazie toluenowej $\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$

• V – Objętość kwasu benzoesowego V= 0,025 [dm³]

• m_t –masa kwasu benzoesowego w fazie toluenowej [g]

Wyniki w Tabeli 4.

Tabela 4 Masa i stężenie kwasu benzoesowego w fazie toluenowej

Nr	Masa nadważki [g]	Stężenie kwasu benzoesowego w fazie toluenowej $$\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$	Masa kwasu benzoesowego w fazie toluenowej [g]
1	0,200	0,01612518	0,049182
2	0,111	0,008065607	0,0246
3	0,092	0,002736984	0,008348
4	0,294	0,03613423	0,110209

1. Stopień dysocjacji w roztworach wodnych

Niech stężenie całkowite kwasu benzoesowego w wodzie wynosi [BH_c]_w. Dla słabego elektrolitu, jakim jest

kwas benzoesowy można napisać wyrażenie na stałą dysocjacji:

w którym przez [BH]w oznaczono stężenie niezdysocjowanego kwasu, a [B^-]w stężenie części zdysocjowanej.

Stężenia jonu wodorowego i benzoesowego są sobie równe i wynoszą [H⁺] = [B^-]_w = [BH_c]_w*α , stężenie

niezdysocjowanej części elektrolitu [BH]_w = [BH_c]_w*(1-α). Podstawiając te wartości do powyższego równania , po

przekształceniu, otrzymamy równanie kwadratowe ze względu na α:

Rozwiązując równanie kwadratowe otrzymujemy wzór na obliczenie stopnia dysocjacji:

$$\alpha = \frac{- K_{d} + \sqrt{{K_{d}}^{2} + 4 \bullet K_{d} \bullet {\lbrack\text{BH}_{c}\rbrack}_{w}}}{2 \bullet {\lbrack\text{BH}_{c}\rbrack}_{w}}$$

Podstawiając otrzymujemy następujące wyniki:

Nr	Masa nadważki [g]	Stężenie kwasu benzoesowego w fazie wodnej $$\lbrack\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}\rbrack$$	Stopień dysocjacji α
1	0,200	0,00494	0,114387671
2	0,111	0,00283	0,151333594
3	0,092	0,00274	0,153814285
4	0,294	0,00602	0,10358387

1. Wykres zależności $\frac{c_{t}}{c_{w}(1 - \alpha)}$ od c_w(1 − α)

W układzie woda – kwas benzoesowy – toluen C₆H₅COOH ulega podziałowi między dwie fazy i dysocjuje i asocjuje zgodnie ze schematem przedstawionym na Rysunku 2.

Rysunek 1 Schemat równowag kwasu benzoesowego w dwóch nie rozpuszczających się w sobie rozpuszczalnikach

Zjawiska dysocjacji i asocjacji wpływają na wartość współczynnika podziału substancji rozpuszczonej

I należy uwzględnić ich przebieg w układzie.

Dysocjację elektrolityczną charakteryzuje stopień dysocjacji a i stała dysocjacji K_a, które w przypadku słabych

elektrolitów związane są prawem rozcieńczeń Oswalda. (zobrazowane w punkcie c) sprawozdania)

Asocjacja ma miejsce w niepolarnych rozpuszczalnikach i określą ją stałą równowagi reakcji asocjacji

zwana krótko stałą asocjacji. Asocjacja polega na tworzeniu cząstek zawierających dwie lub więcej cząsteczek

związanych wiązaniami wodorowymi. Strukturę dimeru kwasu benzoesowego podaje poniższy wzór:

Współczynnik podziału definiowany jest jako iloraz stężeń jednakowych form kwasu benzoesowego w obydwóch

roztworach, czyli iloraz stężenia niezasocjowanych cząsteczek [BH]_t w toluenie do stężenia niezdysocjowanych

cząsteczek [BH]_w w fazie wodnej:

Podstawiając:

[BH]_t = c_t – 2c_t(BH)2 = c_t -2K_a(c_t[BH])²

[BH]_w = c_w(1 − α)

Otrzymujemy równanie:

$$\frac{c_{t}}{c_{w}(1 - \alpha)} = \frac{1}{K_{N}} + \frac{{2K}_{a}}{K_{N}^{2}}c_{w}(1 - \alpha)$$

Dla zadanych stężeń całkowitych obliczono wartości $\ \frac{c_{t}}{c_{w}(1 - \alpha)}\ $ i c_w(1 − α), które przedstawiono w Tabeli 5.

Następnie na podstawie otrzymanych wyników sporządzono wykres liniowy .

Tabela 5 Wyniki obliczeń

Nr	Masa nadważki [g]	$$\frac{c_{t}}{c_{w}(1 - \alpha)}$$	cw(1 − α)
1	0,200	3,685819	0,004374925
2	0,111	3,358254	0,002401726
3	0,092	1,180473	0,002318549
4	0,294	6,695957	0,005396425

Ze względu na odchylenie od pozostałych wyników odrzucono punkt pomiarowy nr 3.

Z wykresu odczytujemy wartość współczynnika podziału. Jest on odwrotnością wartości punktu przecięcia linii trendu z osią y.

Czyli:

K_N =$\ \frac{1}{\ 0,557} = 1,795$

Znając K_N można obliczyć stałą asocjacji :

$$K_{a} = \frac{986,4 \bullet {K_{N}}^{2}}{2}$$

K_a= 1589,103

1. Interpretacja wyników i wnioski

Prawo podziału Nernsta znajduje zastosowanie w zagadnieniach ekstrakcji. Pozwala określić najkorzystniejsze warunki ekstrakcji i przewidzieć stopień rozdzielenia składników. Posługując się prawem podziału można również zbadać równowagę asocjacji i kompleksowania w roztworach ciekłych.

Ewentualne błędy w przeprowadzeniu doświadczenia mogły się wkraść przy miareczkowaniu.