Nr i tytuł ćwiczenia: Wyznaczanie współczynnika podziału kwasu octowego w układzie dwóch niemieszających się cieczy
Imię i nazwisko osoby prowadzącej ćwiczenia: dr inż. Bożena Parczewska-Plesnar
Data wykonania ćwiczenia	Godz.	Nr grupy studenckiej	Zespół	Nazwiska osób wykonujących ćw.	Pkt za spr
11.05.2010	8:00	8	J	Aleksandra Puszcz Agnieszka Różańska Małgorzata Zioło
Uwagi prowadzącego:

WSTĘP TEORETYCZNY

Prawo podziału Nernsta.

Treść tego prawa brzmi: „Jeżeli do układu złożonego z dwóch praktycznie niemieszających się cieczy wprowadzimy trzeci składnik, rozpuszczający się w obu cieczach, to w wyniku ustalenia się stanu równowagi stosunek stężeń wprowadzonej substancji w tych rozpuszczalnikach jest wielkością stałą w danej temperaturze, niezależną od ilości substancji wprowadzonej.”

Modyfikacje prawa w przypadku substancji ulegających asocjacji lub dysocjacji w jednej z faz.

Jeżeli substancja rozpuszczona, np. kwas benzoesowy, ulega w rozpuszczalniku organicznym (np. w benzenie) częściowo asocjacji, to współczynnik podziału jest miarą efektu sumarycznego: podziału między obie fazy cząsteczek niezasocjowanych i zasocjowanych.

Kwas benzoesowy tworzy w benzenie w znacznej części cząsteczki podwójne (dimery) - ustala się równowaga:

2 C₆H₅COOH (C₆H₅COOH)₂

Stała równowagi procesu dimeryzacji jest wyrażona następującym wzorem:

gdzie:

c₂ - stężenie dimerów kwasu benzoesowego

c₁ - stężenie monomerów (cząsteczek pojedynczych) kwasu benzoesowego

K₂ - stała dimeryzacji

Jeżeli przyjmiemy, że c_o = c₁ + 2c₂, gdzie c_o - stężenie ogólne kwasu w benzenie, to:

gdzie: k - stężeniowy współczynnik podziału.

Jeżeli przyjmiemy, że c₁/c_w = k₁, gdzie k₁ jest współczynnikiem podziału monomerów, równanie sprowadza się do postaci:

k = k₁ + 2K₂k₁²c_w.

O wiele prostsze jest uwzględnienie we wzorze na współczynnik podziału procesu dysocjacji cząsteczek substancji na jony w fazie wodnej. Współczynnik podziału jest wtedy stosunkiem stężenia substancji w fazie organicznej do stężenia niezdysocjowanych cząsteczek w fazie wodnej.

Jeżeli do układu dwóch niemieszających się cieczy (np. benzen-woda) wprowadzimy kwas ulegający w wodzie częściowo dysocjacji, to ustala się równowaga opisywana za pomocą stałej dysocjacji:

którą możemy zapisać również:

Po przekształceniach otrzymujemy wzór na stężenie cząsteczek zdysocjowanych:

i wzór na stężenie cząsteczek niezdysocjowanych:

.

Zastosowanie prawa podziału Nernsta:

• Badanie wielu złożonych równowag chemicznych w roztworach, często trudno dostępnych dla badań innymi metodami.

• Znalezienie najlepszych warunków ekstrakcji różnych substancji za pomocą odpowiednio dobranych rozpuszczalników.

• Wykorzystanie w ekstrakcji frakcjonowanej, chromatografii cienkowarstwowej i chromatografii gazowej.

CEL ĆWICZENIA

Poznanie metody wyznaczania współczynnika podziału substancji między dwie niemieszające się ciecze.

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Oznaczenie dokładnego stężenia kwasu octowego w roztworach wodnych.

Do pięciu ponumerowanych kolb stożkowych odmierzyć kolejno pipetą po 2 cm3 roztworów kwasu octowego o podanych stężeniach. Miareczkować mianowanym roztworem wodorotlenku sodu wobec fenoloftaleiny. Odmierzyć stężenia roztworów kwasu octowego według wzoru:

C _kwasu = c _zasady V _zasady/ V _kwasu

2. Wyznaczenie współczynników podziału kwasu octowego miedzy rozpuszczalnik

organiczny i wodę.

a. Do pięciu kolb stożkowych z korkami szlifowymi odmierzyć kolejno pipetą po 20 cm³ roztworów kwasu octowego, których stężenia zostały wcześniej obliczone. Do każdej kolby dodać pipetą po 20 cm³ rozpuszczalnika organicznego. Zamknąć kolby, wytrząsać przez około 20 minut. Po upływie tego czasu i po rozdzieleniu się mieszaniny pobrać z każdej kolby po 2cm³ warstwy wodnej (dolna) i miareczkować tym samym co poprzednio roztworem wodorotlenku sodu.

b. Obliczyć, według wzoru, stężenia kwasu octowego w fazie wodnej po ekstrakcji rozpuszczalnikiem organicznym. Objętości rozpuszczalnika organicznego i roztworów kwasu octowego użyte do ekstrakcji były jednakowe (podobnie jak objętości roztworów miareczkowanych przed ekstrakcją i po ekstrakcji) i w związku z tym stężenie kwasu octowego w roztworach wodnych przed ekstrakcją i po ekstrakcji.

Następnie obliczyć wartości współczynników podziału kwasu octowego między rozpuszczalnik organiczny i wodę według wzoru Nernsta. Wyniki zestawić w tabeli.

Narysować wykres zależności współczynnika podziału kwasu octowego k między rozpuszczalnik organiczny i wodę od stężenia kwasu octowego w fazie wodnej c_w po ekstrakcji. Zinterpretować przebieg otrzymanej izotermy podziału. Ekstrapolując prostą do wartości c_w = 0, odczytać wartość k₁. Po znalezieniu wartości współczynnika kierunkowego prostej obliczyć wartość stałej dimeryzacji K₂. Wyciągnąć wnioski.

Zestawienie wyników.

Numer roztworu	c­kwasu w roztworze wodnym przed ekstrakcją [mol * dm^-3]	c­kwasu w roztworze wodnym po ekstrakcji [mol * dm^-3]	c­kwasu w fazie organicznej [mol * dm^-3]	k
1	0,2457	0,1906	0,0551	0,3069
2	0,4915	0,3761	0,1154	0,3487
3	0,7222	0,5517	0,1705	0,3680
4	0,9529	0,7272	0,2257	0,3888
5	1,2287	0,8977	0,3310	0,4655

Wartości współczynników podziału kwasu octowego między rozpuszczalnik organiczny i wodę według wzoru Nernsta:

k₁ = c₀/c_w = 0,0551/0,1906 = 0,2891

k₂ = 0,1154/0,3761 = 0,3086

k₃ = 0,1705/0,5517 = 0,3090

k₄ = 0,2257/0,7272 = 0,3104

k₅ = 0,3310/0,8977 = 0,3687

k= k₁ + 2 K₂*k₁²*c_w

y= ax + b

y = k

b = k₁

a =(y₂-y₁)/(x₂-x₁)=(0,3561-0,2765)/(0,8977 mol*dm^-3 - 0,1906 mol*dm^-3) = 0,1126 mol*dm^-3

K₂ = a/2*k₁² = 0,1126 mol*dm^-3/0,2012 = 0,5596 mol*dm^-3

Wnioski:

Zauważamy, że wykres zależności współczynnika podziału kwasu octowego k między rozpuszczalnik organiczny i wodę od stężenia kwasu octowego w fazie wodnej c_w, po ekstrakcji w przypadku naszych pomiarów jest rosnący. Kolejne pomiary stężeń kwasu octowego w fazie wodnej, pokazują, że są one rosnące, co za tym idzie stała k która jest od tych stężeń zależna również jest dla kolejnych roztworów większa. Po znalezieniu wartości współczynnika kierunkowego a, który wyniósł: 0,1126 mol*dm^-3 obliczyliśmy wartość stałej dimeryzacji K₂, która wyniosła: 0,5596 mol*dm^-3.

---