2012/2013	Laboratorium z Chemii Fizycznej
Ćwiczenie nr 13	Wyznaczanie współczynnika podziału kwasu octowego pomiędzy fazą organiczną a wodną
WIMiC Technologia Chemiczna GR7A /GL13	Anna Wiechecka Milena Wojaczek
04.03.2013	Oceny (pkt)	Data ocen
Poniedziałek 12:30-17:00	Kolokwium Praktyka Sprawozdanie

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie współczynnika podziału kwasu octowego pomiędzy fazą organiczną (1-butanolem) a wodną w oparciu o prawo podziału Nernsta.

1. Przyrządy i odczynniki:

Przyrządy i aparatura:

• kolby miarowe (50cm³)

• cylindry miarowe (10 i 50cm³)

• pipety (2 i 50cm³)

• kolby stożkowe

• biurety z 0,1 – molowym roztworem NaOH

• rozdzielacze

Odczynniki:

• kwas octowy o stężeniu 2mol/dm³

• NaOH o stężeniu 0,1mol/dm³

• fenoloftaleina

• butanol

1. Wykonanie ćwiczenia:

1. Przygotowanie roztworów kwasu octowego o stężeniach 1mol/dm³, 0,75mol/dm³, 0,5mol/dm³ i 0,25mol/dm³ o objętości każdego 50 cm³.

2. Oznaczenie dokładnych stężeń przygotowanych roztworów poprzez miareczkowanie rozcieńczonych wodą destylowaną próbek o objętości 2 cm³ każdego roztworu 0,1-molowym roztworem NaOH w obecności fenoloftaleiny. Miareczkowano po trzy razy dla każdego roztworu.

3. Umieszczenie w czterech rozdzielaczach 25 cm³ każdego roztworu i dodanie 25cm³ rozpuszczalnika organicznego, zatkanie korkiem i wstrząsanie przez 30 min. Pozostawienie do całkowitego rozdzielenia warstw.

4. Oznaczenie stężenia kwasu octowego w wodnym roztworze po rozdzieleniu: wypuszczenie z rozdzielacza 10cm³ wodnego roztworu kwasu octowego i trzykrotne miareczkowanie 0,1-molowym roztworem NaOH w obecności fenoloftaleiny.

1. Opracowanie wyników

Obliczanie stężenia molowego CH₃COOH w roztworze wyjściowym, c_0.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ c}_{0} = \frac{v_{sr\ \text{NaOH}} \bullet c_{\text{NaOH}}}{v_{\text{CH}3\text{COOH}}}\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (1)\ $$

gdzie:

v_sr NaOH – średnia objętość zasady sodowej zużytej do miareczkowania;

c_NaOH – stężenie molowe zasady sodowej $= 0,1\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$

v_CH3COOH – objętość miareczkowanego kwasu octowego =2 [cm³]

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }v_{sr\ NaOH} = \frac{\sum_{i = 1}^{n}v}{n}\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (2)$$

gdzie:

v – objętości zasady sodowej zużyte do miareczkowań;

n – ilość miareczkowań = 3.

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (2) obliczono średnią objętość zasady sodowej zużytej do miareczkowań:

v_sr NaOH = 19, 9667[cm³]

Na podstawie wzoru (1) obliczono początkowe stężenie molowe roztworów kwasu octowego:

$$c_{0} = 0,9983\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

Wyniki przeprowadzonych obliczeń umieszczono w tabeli 1.

Obliczanie stężenia molowego CH3COOH w wodnym roztworze po wytrząśnięciu z rozpuszczalnikiem organicznym, c_H2O.

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (2) obliczono średnią objętość zasady sodowej zużytej do miareczkowań. Na podstawie wzoru (1) obliczono początkowe stężenie molowe roztworów kwasu octowego.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń umieszczono w tabeli 1.

Obliczanie stężenia molowego CH₃COOH w rozpuszczalniku organicznym, c_org.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }c_{\text{org}} = c_{0} - c_{H2O}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (3)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (3) obliczono stężenie molowe kwasu octowego w rozpuszczalniku organicznym.

Wyniki przeprowadzonych obliczeń umieszczono w tabeli 1.

Obliczanie współczynnika podziału kwasu octowego.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ K}_{N1} = \frac{c_{\text{org}}}{c_{H2O}}\ \left\lbrack - \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (4)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (4) obliczono współczynnik podziału kwasu octowego.

Wyniki otrzymanych obliczeń umieszczono w tabeli 1.

Wniosek:

Wartość obliczonego współczynnika podziału kwasu octowego jest większa od jedności, co świadczy o tym, że więcej niż połowa cząsteczek kwasu octowego przedostała się do fazy organicznej mieszaniny. Może to oznaczać, że butanol wykazuje się lepszą rozpuszczalnością kwasu octowego, niż woda.

Obliczanie stopnia dysocjacji CH₃COOH, z uproszczonego prawa rozcieńczeń Ostwalda.

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \alpha = \sqrt{\frac{K}{c_{0}}}\ \left\lbrack - \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (5)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (5) obliczono stopień dysocjacji kwasu octowego w fazie wodnej:

α = 0, 00418 [−]

Analogiczne obliczenia wykonano dla pozostałych roztworów.

Obliczanie stężenia niezdysocjowanego CH₃COOH w wodnym roztworze po wytrząśnięciu z rozpuszczalnikiem organicznym, c*_H2O.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }c_{H2O}^{*} = c_{H2O} - c_{\text{zd}}\left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (6)$$

gdzie:

c_zd – stężenie zdysocjowanego kwasu octowego.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }c_{\text{zd}} = c_{H2O} \bullet \alpha\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (7)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (7) obliczono stężenie zdysocjowanego kwasu octowego po wytrząśnięciu z rozpuszczalnikiem organicznym:

$$c_{\text{zd}} = 0,00186\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

Na podstawie wzoru (6) obliczono stężenie niezdysocjowanego kwasu octowego po wytrząśnięciu z rozpuszczalnikiem organicznym:

$$c_{H2O}^{*} = 0,4431\ \left\lbrack \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \right\rbrack$$

Wyniki wykonanych obliczeń zamieszczono w tabeli 1.

Obliczanie współczynnika podziału kwasu octowego po uwzględnieniu dysocjacji w fazie wodnej.

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }K_{N2} = \frac{c_{\text{org}}}{c_{H2O}^{*}}\ \left\lbrack - \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (8)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (8) obliczono wartość współczynnika podziału kwasu octowego w mieszaninie:

K_N2 = 1, 2487 [−]

Obliczanie błędu procentowego pomiędzy obliczonymi wartościami współczynnika podziału kwasu octowego.

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \sigma = \ \frac{K_{N1} - K_{N2}}{K_{N1}} \bullet 100\ \left\lbrack \% \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (9)$$

Na podstawie wzoru (9) obliczono wartość błędu procentowego pomiędzy obliczonymi wartościami podziału kwasu octowego:

σ = 0, 33 [%]

Wniosek:

Wartość współczynnika podziału CH₃COOH obliczona po uwzględnieniu dysocjacji jonowej kwasu w fazie wodnej jest nieznacznie wyższa niż ta, którą uzyskano bez jej uwzględnienia, co świadczy o nieznacznym wpływie dysocjacji na wartość współczynnika podziału.

Obliczanie udziału procentowego CH₃COOH, który uległ ekstrakcji do fazy organicznej (stopień ekstrakcji E).

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ E = \frac{c_{\text{org}}}{c_{0}} \bullet 100\ \left\lbrack \% \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (10)$$

Dla roztworu 1:

Na podstawie wzoru (10) obliczono wartość stopnia ekstrakcji kwasu octowego do fazy organicznej:

E = 55, 43 [%]

Obliczanie wartości log c*_H2O i log c _org.

Obliczenia przeprowadzono dla każdego z roztworów, a wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Zestawienie wyników wykonanych wcześniej obliczeń.

Roztwór	vsr1 [cm^3]	vsr2 [cm^3]	c0 [mol/dm^3]	cH2O [mol/dm^3]	corg [mol/dm^3]	cH2O^* [mol/dm^3]	logcH2O^* [ - ]	logcorg [ - ]
Roztwór 1	19,97	8,9	0,9983	0,445	0,5533	0,4431	-0,3535	-0,257
Roztwór 2	15,1	6,72	0,755	0,3358	0,4192	0,3346	-0,4755	-0,3776
Roztwór 3	10	4,55	0,5	0,2275	0,2725	0,2268	-0,6443	-0,5646
Roztwór 4	5,18	2,37	0,2592	0,1183	0,1408	0,1181	-0,9278	-0,8513

W wyniku przekształcenia równania:

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }K_{N} = \sqrt[n]{\frac{c_{\text{org}}}{c_{H2O}^{*}}}\text{\ \ }\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ \ \ \ \ }(11)$$

Do postaci:

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\log c_{\text{org}} = \frac{1}{n} \bullet \log c_{H2O}^{*} - \log K_{N}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (12)$$

Możemy sporządzić następujący wykres:

Rys. 1. Wykres zależność logarytmu stężenia CH₃COOH w fazie organicznej od

logarytmu stężenia w fazie wodnej.

Wyniki uzyskane z regresji liniowej wykresu:

a = 0, 961 S_a = 0, 0128

b = −0, 107 S_b = 0, 007

Wyznaczanie wartości współczynnika podziału kwasu octowego na podstawie wyników regresji liniowej.

K_N = 10^b [−]                                                      (13)

gdzie:

b – wartość parametru uzyskana w wyniku regresji liniowej = − 0, 107.

Na podstawie wzoru (13) obliczono wartość współczynnika podziału kwasu octowego między fazą organiczną a wodną:

K_N = 1, 2791 [−]

Wyznaczanie ilości cząsteczek (n) CH₃COOH tworzących asocjaty w warstwie organicznej na podstawie wyników regresji liniowej.

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ n = \frac{1}{a}\ \left\lbrack - \right\rbrack\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (14)$$

gdzie:

a – wartość parametru wyznaczona na podstawie regresji liniowej =0, 961.

Na podstawie wzoru (14) obliczono wartość liczby cząsteczek kwasu octowego tworzących asocjaty w warstwie organicznej:

n = 1, 0342 [−]

Wniosek:

Równania (11) i (12) pozwalają wyznaczyć z dużą dokładnością zarówno wartości liczby asocjujących cząsteczek w warstwie organicznej, jak i wartość współczynnika podziału danej substancji, w naszym eksperymencie CH₃COOH.

Wyznaczanie wartości błędów pomiaru otrzymanych wyników uzyskanych na podstawie regresji liniowej.

$$S\left( K_{N} \right) = \ \frac{\partial K_{N}}{\partial b}\ \bullet b\text{\ \ \ \ \ \ \ }$$

 S(K_N) = 10^b • lnb • b [−]                                     (13)

Na podstawie wzoru (13) obliczono wartość niepewności wartości współczynnika podziału kwasu octowego:

S(K_N) =  0, 0124[−]

$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }S\left( n \right) = \frac{\partial n}{\partial a} \bullet a$$

S(n) = −n⁻² • a[−]                                     (14)

Na podstawie wzoru (14) obliczono wartość niepewności wartości współczynnika podziału kwasu octowego:

S(n) = 0, 0138[−]

Obliczanie błędu procentowego pomiędzy wartością współczynnika podziału obliczonego na podstawie regresji liniowej z wartością współczynnika podziału K_N2.

Na podstawie wzoru (9) obliczono wartość błędu procentowego pomiędzy obliczonymi wartościami podziału kwasu octowego:

σ = 4, 32 [%]

Wnioski:

Na podstawie uzyskanych danych eksperymentalnych można stwierdzić słuszność prawa podziału Nernsta. Na jego podstawie można z dużą dokładnością oszacować współczynnik podziału substancji pomiędzy dwiema nie mieszającymi się rozpuszczalnikami, w naszym przypadku wodą i butanolem.

Zarówno dysocjacja występująca w fazie wodnej, jak i asocjacja cząsteczek CH3COOH w fazie organicznej nie wpływają w znacznym stopniu na wyniki przeprowadzonego pomiaru.

Rozbieżności w uzyskanych wynikach są bardzo małe i mogą być spowodowane przez niedokładności wykonanych miareczkowań, czy niedokładnego wytrząśnięcia roztworów. Błędy mogą być również spowodowane przez niedomywanie szkła laboratoryjnego.