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.
ΔTw = E·m = E·
ms - masa substancji rozpuszczonej
mr - masa rozpuszczalnika
Ms - 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 (p0r),
roztworem (pr) i fazą stałą (p0r st) od
temperatury.
W celu wyprowadzenia wzoru na stałą E należy zastosować równanie Clauciusa-Clapeyrona w postaci:
− całkując funkcje od T0w. do T w i od p4 do p5 otrzymujemy:
, gdzie p5 oznacza prężność pary nad czystym rozpuszczalnikiem w T0 w (p0r), a p4 − prężność pary rozpuszczalnika nad roztworem w tej temperaturze (pr). Przyjmując w przybliżeniu ΔT0 w = Tw· T0 w:
→
.
Temperatura wrzenia roztworu ( temp., w której ciśnienie pary nasyconej nad roztworem jest równe ciśnieniu zewnętrznemu) jest wyższa od temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika o ΔTw = T0w - Tw.
Z prawa Raoulta wynika, że wielkość ln
można zastąpić przez -lnxr. Rozwijając tę funkcję w szereg potęgowy i zatrzymując dwa pierwsze jego wyrazy otrzymujemy, że: -lnxr
1 - xr = xs. W przypadku roztworów rozcieńczonych xs =
. Jeżeli molarność roztworu o masie molowej Mr wynosi m, to: ns = m, nr =
, xs =
= ln
.
Ostatecznie otrzymujemy wzór ebuliometryczny dla idealnego roztworu rozcieńczonego:
→ E =
=
ΔHpar 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
ΔTteoretyczna = 1º
Mtioacetamidu = 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:
ΔTw teoretyczne = 1º i ΔTw = E·m → m = 1/E m - stężenie molarne roztworu
m = 1/1,762 = 0,576 [kg/mol]
mrozpuszczalnika = ρacetonu · Vacetonu = 0,79 g/cm3 · 50 cm3 = 39,5 g
nsubstancji = 0,576·39,5 / 1000 = 0,023 mola mrozp. - masa rozpuszczalnika
msubstancji = nsubst· Msubst = 0,023 · 75 = 1,725g - masa naważki
ΔTw 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
nsubst. = m·mrozp. / 1000 = 0,601·39,5 / 1000 = 0,024 mola
Msubst = msubst. / nsubst. = 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