Politechnika Krakowska WIiTCh |
Wyznaczanie stałej równowagi reakcji tworzenia kompleksów jodu z aromatami metodą spektrofotometryczną. | Data wykonania : 04.04.2014r. |
|---|---|---|
| Ocena: |
Wstęp teoretyczny
Metoda spektrofotometryczna opiera się na badaniu absorpcji zachodzącej podczas przechodzenia światła przez badaną próbkę. Zestawiając na wykresie absorbancję próbki w zależności od długości fali promieniowania otrzymujemy widmo elektronowe próbki.
Spektrofotometria UV-Vis obejmuje dwa zakresy promieniowania elektromagnetycznego:
- promieniowanie nadfioletowe UV (ultraviolet) (180-400 nm)
- promieniowanie widzialne VIS (visible) (400-800 nm )
Wiązka światła monochromatycznego przechodząca przez ośrodek jednorodny optycznie może być pochłaniana. Równocześnie jednak część padającego promieniowania ulega odbiciu na granicy faz oraz rozproszeniu na cząsteczkach ośrodka. Przy odpowiednio dobranych warunkach pomiaru straty spowodowane odbiciem i rozproszeniem promieniowania są bardzo małe. W celu wyeliminowania poprawek na promieniowanie odbite należało by stosować pomiary porównawcze polegające na przepuszczeniu wiązki światła raz przez roztwór badany umieszczony w kuwecie, drugi raz natomiast przez odnośnik, którym jest czysty rozpuszczalnik umieszczony w takiej samej kuwecie. Możemy wówczas przyjąć, że straty spowodowane odbiciem światła na granicy faz są w obu przypadkach jednakowe. Zależność natężenia światła przepuszczonego (I) od natężenia światła padającego (I0) i grubości warstwy (b) ośrodka pochłaniającego jest ujęte prawem Lamberta:
, gdzie k jest współczynnikiem absorpcji zależnym od rodzaju substancji.
Stosunek nosi nazwę przepuszczalności. Natomiast wyrażenie nosi nazwę absorpcji.
Wartość absorpcji jest oczywiście zależna od długości fali światła padającego. W przypadku roztworów absorpcja światła zależy nie tylko od grubości warstwy i specyficznych właściwości składników, ale również od ich stężeń.
Zgodnie z prawem Beera, absorpcja składnika rozpuszczonego w rozpuszczalniku, który sam nie absorbuje światła o danej długości fali, jest wprost proporcjonalna do stężenia tego składnika w roztworze (przy stałej grubości warstwy ).
Połączone prawo Lamberta Beera ma więc następującą postać :
, gdzie:
a - molowy współczynnik absorpcji
b - grubość warstwy
c - stężenie molowe składnika absorbującego.
Reakcja jodu z pierścieniem aromatycznym:
Cząsteczka jodu tworzy chętnie kompleksy z donorami elektronów, którymi na przykład są pierścienie aromatyczne czy też alkohole. Pod wpływem kwantu promieniowania elektromagnetycznego z układu aromatycznego wybijany jest elektron, który „lokuje” się w pustym orbitalu jodu. Związki kompleksowe tego typu nazywamy związkami z przeniesieniem ładunku. Powstający kompleks wykazuje maksimum absorbcji w paśmie bliskiego nadfioletu przy ok. 320 nm. Zarówno jod jak i toluen przy tej długości fali wykazuje znikomą absorbcję. Na tej podstawie można spektrofotometrycznie ilościowo określić stężenie powstałego kompleksu.
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej równowagi reakcji jodu z aromatami metodę spektrofotometryczną:
Opis wykonania ćwiczenia:
Sporządzono 10 próbek o odpowiednich stosunkach objętościowych 0,0004 molowego roztworu jodu w n-heptanie z dwumolowym roztworem toluenu w n-heptanie o objętości całkowitej jednej próbki 4 cm3 (za wyjątkiem próbki pierwszej gdzie z początku źle odczytano stosunek z tabeli, tam objętość wynosi 4,36 cm3).
| Stosunek jod : toluen | Jod [cm3] | Toluen [cm3] |
|---|---|---|
| 1:0,1 | 3,96 | 0,40 |
| 1:0,4 | 2,86 | 1,14 |
| 1:0,5 | 2,67 | 1,33 |
| 1:1,9 | 1,39 | 2,62 |
| 1:2,7 | 1,08 | 2,92 |
| 1:4 | 0,80 | 3,20 |
| 1:4,8 | 0,69 | 3,31 |
| 1:7 | 0,50 | 3,50 |
| 1:8 | 0,44 | 3,56 |
| 1:9 | 0,40 | 3,60 |
W związku z tym, że zabrakło gotowego roztworu jodu w n-heptanie przyrządzono 50 cm3 nowego roztworu poprzez pobranie do 50 cm3 kolbki miarowej 5 cm3 0,004 molowego roztworu jodu w n‑heptanie i uzupełnienie do kreski n-heptanem.
Pomiaru absorbancji dokonano w spektrofotometrze jednowiązkowym. Zbadano absorbancję odnośnika, w tym przypadku był to n-heptan. Następnie zbadano próbki dwumolowego roztworu toluenu w n-heptanie oraz 0,0004 molowego roztworu jodu w n-heptanie.
Po wykonaniu pomiarów porównawczych roztworów zostały wykonane pomiary dla 10 próbek.
Opracowanie wyników:
Dane uzyskane ze spektrofotometru:
| Stosunek objętościowy jod : toluen | Net Abs<300nm> | Net Abs<310nm> | Net Abs<525nm> |
|---|---|---|---|
| Roztwór toluenu | 0,11574 | 0,089556 | 0,050926 |
| Roztwór jodu | 0,33914 | 0,19508 | 0,29066 |
| 1:0,1 | 0, 30315 | 0,25862 | 0,25803 |
| 1:0,4 | 0, 49093 | 0,42989 | 0,20585 |
| 1:0,5 | 0, 51637 | 0,45276 | 0,18885 |
| 1:1,9 | 0, 45306 | 0,39656 | 0,090675 |
| 1:2,7 | 0, 39816 | 0,34763 | 0,074972 |
| 1:4 | 0, 34229 | 0,29710 | 0,051132 |
| 1:4,8 | 0, 30155 | 0,26089 | 0,043876 |
| 1:7 | 0, 25941 | 0,22137 | 0,030230 |
| 1:8 | 0,24288 | 0,20748 | 0,029847 |
| 1:9 | 0,23111 | 0,19458 | 0,023719 |
Absorbancja molowa:
a =
gdzie:
A - absorbancja średnia z tabeli
b - szerokość kuwety
c - stężenie molowe
| Absorbancja wyjściowego roztworu jodu | Stężenie roztworu jodu | Absorbancja wyjściowego roztworu toluenu | Stężenie roztworu toluenu | Grubość kuwety | |
|---|---|---|---|---|---|
| Absorbancja 300nm | 0,33914 | 0,0004 mol/dm3 | 0,11574 | 2 mol/dm3 | |
| Absorbancja 310nm | 0,19508 | 0,089556 | |||
| Absorbancja 525nm | 0,29066 | 0,050926 | |||
| Molowa absorbancja | |||||
| Dla czystego jodu aI [dm3/mol*cm] | 300nm | 310nm | 525nm | ||
| 849,5491 | 488,6774 | 728,1062 | |||
| Dla czystego toluenu aAr [dm3/mol*cm] | 300nm | 310nm | 525nm | ||
| 0,05799 | 0,04487 | 0,02551 |
Stabelaryzowane wyniki dla 310nm
| Stosunek objętościowy jod : aromat | Objętość jodu w próbce [cm3] | Stężenie jodu w próbce [I2]0 [mol/dm3] | Objętość roztworu toluenu w próbce [cm3] | Stężenie toluenu w próbce [Ar]0 [cm3] |
Absorbancja, A | [dm3/mol] | f(A, [I2]0, [Ar]0) [mol*cm/dm3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1:0,1 | 3,96 | 0,000396 | 0,40 | 0,2 | 0,25862 | 5,000 | 0,006991 |
| 1:0,4 | 2,86 | 0,000286 | 1,14 | 0,57 | 0,42989 | 1,754 | 0,001078 |
| 1:0,5 | 2,67 | 0,000267 | 1,33 | 0,665 | 0,45276 | 1,504 | 0,00091 |
| 1:1,9 | 1,39 | 0,000139 | 2,62 | 1,31 | 0,39656 | 0,763 | 0,000514 |
| 1:2,7 | 1,08 | 0,000108 | 2,92 | 1,46 | 0,34763 | 0,685 | 0,000469 |
| 1:4 | 0,80 | 0,00008 | 3,20 | 1,6 | 0,29710 | 0,625 | 0,000428 |
| 1:4,8 | 0,69 | 0,000069 | 3,31 | 1,655 | 0,26089 | 0,604 | 0,00045 |
| 1:7 | 0,50 | 0,00005 | 3,50 | 1,75 | 0,22137 | 0,571 | 0,000421 |
| 1:8 | 0,44 | 0,000044 | 3,56 | 1,78 | 0,20748 | 0,562 | 0,000413 |
| 1:9 | 0,40 | 0,00004 | 3,60 | 1,8 | 0,19458 | 0,556 | 0,000423 |
f(A,[I2]0,[Ar]0 ) =
Ponieważ wyniki znajdują się na jednej linii nie wyklucza się żadnych.
Wolny wyraz= $\frac{1}{a_{\text{ArI}2} - a_{I2}}$
Współczynnik kierunkowy= $\frac{1}{a_{\text{ArI}2} - a_{I2}} \bullet \frac{1}{K}$
$$\frac{1}{K} \bullet \text{wolny}\ \text{wyraz} = \text{wsp}ol\text{czynnik}\ \text{kierunkowy}$$
$$\frac{\text{wolny}\ \text{wyraz}}{\text{wsp}ol\text{czynnik}} = K$$
$K = \frac{0,000104641}{0,000546050} =$0,191633 [bezwymiarowa]
Wnioski:
Wartości absorbancji odbiegające od wartości książkowych mogą wynikać ze złego przygotowania roztworów lub niedokładnego oczyszczenia kuwety przed pomiarami, jednakże wygląd wykresu wskazuje, że badanie zostało przeprowadzone prawidłowo.
Uzyskano wartość stałej równowagi kompleksu jodu z aromatem równej 0,194318. Jest to całkiem niska wartość stałej mówiąca nam o niskim stężeniu produktu w stosunku do substratów.