Grupa	Zespół	Ćwiczenie	Data	Ocena
22	8	9	14.02.2000
Imię i nazwisko		Temat ćwiczenia
Maria Borzęcka Joanna Jarosz		Ebulioskopia

1. Wstęp teoretyczny

Jedną z konsekwencji prawa Raoulta jest podwyższenie temperatury wrzenia roztworu w stosunku do temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika. Zmiana ta jest proporcjonalna do stężenia molarnego substancji rozpuszczonej, a współczynnik proporcjonalności w tej zależności to tzw. stała ebulioskopowa E.

ΔT_w = E·m = E·

m_s - masa substancji rozpuszczonej

m_r - masa rozpuszczalnika

M_s - masa molowa substancji rozpuszczonej

Stała ebulioskopowa ma wymiar temperatury i oznacza przyrost temperatury wrzenia roztworu o stężeniu molarnym = 1 [mol/kg] i zależy tylko od rodzaju rozpuszczalnika. Wartość stałej E można także wyliczyć z równania:

Zależność prężności pary rozpuszczalnika

nad czystym rozpuszczalnikiem (p_0r),

roztworem (p_r) i fazą stałą (p_{0r st}) od

temperatury.

W celu wyprowadzenia wzoru na stałą E należy zastosować równanie Clauciusa-Clapeyrona w postaci:
− całkując funkcje od T_0w. do T _w i od p₄ do p₅ otrzymujemy:
, gdzie p₅ oznacza prężność pary nad czystym rozpuszczalnikiem w T_{0 w} (p_0r), a p₄ − prężność pary rozpuszczalnika nad roztworem w tej temperaturze (p_r). Przyjmując w przybliżeniu ΔT_{0 w} = T_w· T_{0 w}:
→
.

Temperatura wrzenia roztworu ( temp., w której ciśnienie pary nasyconej nad roztworem jest równe ciśnieniu zewnętrznemu) jest wyższa od temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika o ΔT_w = T_0w - T_w.

Z prawa Raoulta wynika, że wielkość ln
można zastąpić przez -lnx_r. Rozwijając tę funkcję w szereg potęgowy i zatrzymując dwa pierwsze jego wyrazy otrzymujemy, że: -lnx_r
1 - x_r = x_s. W przypadku roztworów rozcieńczonych x_s =
. Jeżeli molarność roztworu o masie molowej M_r wynosi m, to: n_s = m, n_r =
, x_s =
= ln
.

Ostatecznie otrzymujemy wzór ebuliometryczny dla idealnego roztworu rozcieńczonego:
→ E =
=

ΔH_par jest entalpią parowania 1 kg rozpuszczalnika, Δ
_par entalpią molową.

Ebuliometria zajmuje się pomiarami opartymi na wyznaczaniu temperatur wrzenia i kondensacji układów jedno i wieloskładnikowych, które tworzą co najmniej jedną fazę ciekłą. Ze względu na zjawisko przegrzewania się cieczy nie ustala się dokładnej temperatury wrzenia, a jedynie różnice między temperaturami wrzenia poszczególnych roztworów.

Metodami ebuliometrycznymi można oznaczyć różne wielkości fizykochemiczne jak: temperaturę wrzenia, stopień czystości substancji ciekłych, zmiany temperatury wrzenia roztworów w zależności od stężenia, stałą ebulioskopową rozpuszczalnika, masę cząsteczkową substancji nielotnej tworzącej roztwór doskonały i inne.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia był pomiar różnicy temperatur wrzenia acetonu cz.d.a. i roztworu tioacetamidu w acetonie oraz wyznaczenie masy molowej tioacetamidu na podstawie dokonanych pomiarów.

3. Zadane parametry

E _{doświadczalna} acetonu = 1,480

E _teoretyczna acetonu = 1,762

ΔT_teoretyczna = 1º

M_tioacetamidu = 79 [g/mol]

4. Sposób wykonania ćwiczenia

Do pomiarów ebuliometrycznych używa się specjalnych przyrządów zwanych ebuliometrami. W doświadczeniu używany był ebuliometr Świętosławskiego i termometr różnicowy Beckmana.

Ebuliometr Świętosławskiego (rys. obok)

Ciecz, której temperaturę wrzenia należy oznaczyć, wprowadza się do ebuliometru w ilości dostatecznej do wypełniania zbiornika A. Ogrzewając ten zbiornik doprowadza się ciecz do wrzenia. Tworząca się para przedostaje się na ścianki zbiornika B wypełnionego rtęcią, który w ten sposób ogrzewa się do temperatury wrzenia roztworu. Temperaturę odczytuje się na termometrze zanurzonym w zbiorniku B. Skraplające się pary spływają z powrotem przez rurkę C do zbiornika A. Pewne ilości pary przedostają się do chłodnicy i skroplone spływają bocznym przelew P. W rurce r ustala się równowaga termiczna cieczy z parą i tam ciecz traci ciepło przegrzania.

Do przygotowanego ebuliometru (zakręcone krany, woda podłączona do chłodnicy) wlano (przez chłodnicę) 50 cm³ czystego acetonu, włączono prąd i doprowadzono aceton do wrzenia. Następnie, zapisywano co 15 sekund położenie na termometrze Beckmana w celu ustalenia położenia odpowiadającego temperaturze wrzenia acetonu → wyniki i wykres w punkcie 5. Po wykonaniu tego pomiaru wyłączono grzanie.

Później sporządzono naważkę tioacetamidu w ilości, jaka powinna zmienić temperaturę wrzenia roztworu o 1º, rozpuszczono ją w części acetonu zlanego z ebuliometru. Tak otrzymany roztwór wlano do ebuliometru i z powrotem podłączono grzanie. Po doprowadzeniu cieczy do wrzenia i ustaleniu się równowagi zapisywano, jak poprzednio, położenie na termometrze co 15 sekund → wyniki poniżej.

5. Wyniki pomiarów

czas odstępy 15 sek	położenie na skali termometru Beckmana
	aceton	tioacet-amid w acetonie
	2,06	3,56
	2,26	3,67
	2,50	3,71
	2,65	3,78
	2,76	3,86
	2,89	3,95
	3,01	4,05
	3,10	4,15
	3,18	4,20
	3,21	4,22
	3,21	4,25
	3,21	4,27
	3,22	4,27
	3,28	4,28
	3,31	4,30
	3,33	4,36
	3,35	4,38
	3,37	4,40
	3,40	4,44

Obszary równowagi na wykresie wskazują na właściwą temperaturę wrzenia cieczy (wykresy jako załącznik)

Na podstawie danych zawartych w tabeli powyżej stwierdzono, że położenie 3,21 na termometrze Beckmana odpowiada temperaturze wrzenia czystego acetonu, a położenie 4,27 temperaturze wrzenia sporządzonego roztworu tioacetamidu w acetonie.

Roztwór tioacetamidu:

ΔT_{w teoretyczne} = 1º i ΔT_w = E·m → m = 1/E m - stężenie molarne roztworu

m = 1/1,762 = 0,576 [kg/mol]

m_{rozpuszczalnika} = ρ_acetonu · V_acetonu = 0,79 g/cm³ · 50 cm³ = 39,5 g

n_substancji = 0,576·39,5 / 1000 = 0,023 mola m_rozp. - masa rozpuszczalnika

m_substancji = n_subst· M_subst = 0,023 · 75 = 1,725g - masa naważki

ΔT_{w doświadczalne} = 4,27 - 3,21 = 1,06º

Masa molowa tioacetamidu wyznaczona na podstawie doświadczenia:

ΔT = 1,06º → m = ΔT/E = 1,06º/1,762 = 0,601 mol/kg

n_subst. = m·m_rozp. / 1000 = 0,601·39,5 / 1000 = 0,024 mola

M_subst = m_subst. / n_subst. = 1,725 / 0,024 = 71,87 g/mol

błąd względny oznaczenia: (75 - 71,87) / 75 = 0,04 = 4%

6. Dyskusja wyników, wnioski

Temperatura wrzenia roztworu jest wyższa od temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika, a różnica tych temperatur jest wprost proporcjonalna do stężenia molarnego roztworu.

Pomimo wykonania dokładnych obliczeń i sporządzenia precyzyjnej naważki uzyskany w doświadczeniu wynik obarczony był dużym, 4% błędem. Prawdopodobnie powstał on na skutek częściowego odparowania acetonu w czasie wykonywania doświadczenia lub rozpuszczeniem naważki tioacetamidu w nie całej objętości rozpuszczalnika (rozpuszczalnik mógł pozostać w bocznym przelewie).

Z powodu braku czasu nie zostały przeprowadzone pomiary zależności między podwyższeniem temperatury wrzenia roztworu a jego stężeniem molarnym.0

2

---