Ć W I C Z E N I E Nr 34

OZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PODZIAŁU KWASU BENZOESOWEGO

W UKŁADZIE WODA - TOLUEN

Cel ćwiczenia: wyznaczenie współczynnika podziału kwasu benzoesowego pomiędzy dwie fazy, wodna 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:

(1)

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:

(2)

które można przekształcić do zależności:

(3)

w której (a_A)_α i (a_A)_β są aktywnością termodynamiczną składnika A w fazach α oraz β. (μ_A⁰)_α oraz (μ_A⁰)_β oznaczają standardowe potencjały chemiczne składnika A odpowiednio w fazach α oraz β. W stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem wyrażenie po prawej stronie równania (3) jest wielkością stałą, co pozwala przekształcić to równanie do następującej postaci:

(4)

Zależność (4) jest najogólniejszą postacią prawa podziału, które określa jak składnik A rozdziela się pomiędzy dwie dowolne, współistniejące w równowadze, fazy ciekłe.

Jeżeli stężenia składnika A w obu fazach 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:

(5)

W roztworze rozcieńczonym liczba moli składnika A jest znacznie mniejsza od liczby moli rozpuszczalnika:

(6)

Ponieważ objętość roztworu jest praktycznie równa objętości rozpuszczalnika można napisać następującą zależność określającą stężenie molowe składnika
w roztworze:

(7)

Uwzględniając zależności (6) i (7) w równaniu (5) otrzymujemy równanie (8):

(8)

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. Sporządzić wodne roztwory kwasu benzoesowego, po 50 ml, o stężeniach podanych przez asystenta.

2. Do suchych kolbek ze szlifem odpipetować po 25 ml z przygotowanych roztworów kwasu benzoesowego.

3. Do każdego odpipetowanego roztworu dodać po 25 ml toluenu.

4. Po zakorkowaniu kolbki otrzymane układy dwufazowe energicznie wytrząsać przez 3-5 min i pozostawić na kilkanaście minut aż do dokładnego rozdzielenia faz.

5. Wyznaczyć miano roztworu NaOH, miareczkując 10 ml próbki tego roztworu kwasem solnym o znanym mianie.

6. Oznaczyć stężenie początkowe C^o_W kwasu benzoesowego w przygotowanych roztworach przez zmiareczkowanie próbek, (V_pr)₀= 10 ml, wodnego roztworu kwasu benzoesowego roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny jako wskaźnika.

7. Po rozdzieleniu się warstw pobrać próbki, (V_pr)₁= 10 ml, roztworu z dolnej warstwy i oznaczyć w niej równowagowe stężenie kwasu benzoesowego
   w fazie wodnej C_W przez zmiareczkowanie próbki roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny.

8. Ponieważ objętości obu faz, wodnej i organicznej, są jednakowe, stężenie równowagowe w fazie organicznej C_org, można obliczyć jako różnicę stężeń kwasu benzoesowego w fazie wodnej, początkowego C^o_w i w stanie równowagi C_w: C_org = C^o_w - C_w.

9. Wyniki pomiarów zestawić w tabelce:

	Roztwory wyjściowe			Roztwory w stanie równowagi
Lp	(Vpr)0	(VNaOH)0	C^ow	(Vpr)1	(VNaOH)1	Cw	Corg.	logCw	logCorg

Opracowanie wyników.

1. Współczynnik podziału, wyrażony zależnością (8), może przyjąć bardziej złożoną postać, jeżeli masa cząsteczkowa składnika w roztworze ulega zmianie wskutek asocjacji lub dysocjacji, zachodzących w jednej lub obu fazach. Ponieważ w toluenie kwas benzoesowy asocjuje współczynnik podziału wyraża zależność (9):

(9)

w której n jest liczbą wskazującą ile razy masa cząsteczkowa substancji rozpuszczonej w fazie organicznej jest większa od masy cząsteczkowej
w roztworze wodnym.

2. Po zlogarytmowaniu zależności (9), otrzymujemy równanie prostej (10):

3. Zależność log(C_W) od log(C_org) należy przedstawić na wykresie. Parametry prostej logK i 1/n obliczyć albo za pomocą arkusza kalkulacyjnego, albo metodą najmniejszych kwadratów z podanych równań:

w których m jest liczbą punktów, wyznaczonych w doświadczeniu.