Zakład Chemii Fizycznej

Laboratorium Studenckie

ĆWICZENIE 13: PRAWO PODZIAŁU - POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA KWASU OCTOWEGO MIĘDZY CZTEROCHLOREK WĘGLA I WODĘ.

WSTĘP

Współczynnik podziału wiąże się z procesem rozpuszczania substancji (A) w układzie dwóch niemieszających się cieczy, rozdzielonych powierzchnią międzyfazową. Rozpuszczalność substancji (A) zależy od właściwości fizykochemicznych poszczególnych faz. Ilość rozpuszczonego składnika (A) będzie różna w poszczególnych fazach. Proces podziału (przeniesienia) przez powierzchnię międzyfazową z fazy (1) do fazy (2) (lub odwrotnie) trwa tak długo, aż ustali się równowaga termodynamiczna, wówczas potencjały chemiczne
składnika (A) przy
w obu fazach są sobie równe:

Potencjał chemiczny składnika (A) w każdej z faz (i) jest funkcją aktywności
:

gdzie:
- aktywność składnika w stanie odniesienia.

Po podstawieniu do równania (1) i przekształceniu otrzymujemy ogólną postać prawa podziału:

lub

gdzie:
i
- standardowe potencjały chemiczne substancji (A) w fazie (1) i (2)

i
- aktywności substancji (A) w fazie (1) i (2)

- termodynamiczny współczynnik podziału

i
- stężenia molowe substancji (A) w fazie (1) i (2)

i
- współczynniki aktywności substancji (A) w poszczególnych fazach

Dla małych stężeń
(współczynnik aktywności
) otrzymujemy:

Stałą
nazywamy współczynnikiem podziału Nernsta. Wartość współczynnika podziału Nernsta dla roztworów rozcieńczonych jest zbliżona do wartości termodynamicznego współczynnika podziału
.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika podziału monomeru kwasu octowego pomiędzy fazę czterochlorku węgla i wody -
oraz wyznaczenie stałej dimeryzacji kwasu octowego w czterochlorku węgla- -
.

Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli:

Nr próbki	Początkowe stężenie CH3COOH w warstwie wodnej	Objętość 0,05m. NaOH (równoważna ilości CH3COOH zawartej w pobranej próbce warstwy CCl4 o obj. )	Stężenie CH3COOH w warstwie CCl4	Stężenie CH3COOH w warstwie wodnej	Stosunek stężeń CH3COOH w obu warstwach
1	1	0,9	0,022	0,977	0,023	0,022	0,955
2	2	3	0,075	1,925	0,039	0,075	3,706
3	3	6,5	0,162	2,837	0,057	0,162	8,051
4	4	8,6	0,215	3,785	0,057	0,215	14,326
5	5	12,4	0,310	4,690	0,066	0,310	21,996
	15	31,4	0,784	14,214	0,242	0,784	49,034

Stężenie kwasu octowego w poszczególnych warstwach oblicza się następująco:

1. W warstwie CCl₄ (o objętości NaOH równej 0,9 cm³ ):

2. W warstwie wodnej:

3. Wykreślamy zależność stosunku stężeń kwasu octowego w obu warstwach od stężenia kwasu octowego w warstwie wodnej, wyznaczamy regresję liniową dla otrzymanej krzywej otrzymując wartości stałych a i b prostej oraz obliczamy wartość stałej dimeryzacji
   i współczynnika podziału
   . Korzystamy z zależności:

W badanym zakresie stężeń kwasu octowego jego stopień dysocjacji
dąży do zera, wobec tego czynnik
w powyższym równaniu będzie dążył do jedności i równanie to uprości się do postaci:

Kreśląc zatem zależność
uzyskujemy prostą
o współczynniku kierunkowym
i współrzędnej
dla zerowego stężenia kwasu octowego
. Korzystając z tych założeń możemy teraz obliczyć stałą dimeryzacji
i współczynnika podziału
:

Nasza prosta
przyjmuje postać
, zatem:

, skoro
to współczynnik podziału wynosi:

czyli
, zatem:

, to:

4. Współczynnik kierunkowy b możemy także obliczyć manualnie z wykresu podstawiając współrzędne dwóch dowolnych punktów leżących na prostej do równania linii prostej i z otrzymanego układu równań wyznaczyć nasz współczynnik:

Różnica w wartości współczynnika obliczonego przez komputer , a obliczonego powyższą metodą wynika z faktu że do obliczeń braliśmy punkt który nie leży idealnie na linii prostej. Z tego powodu obliczenia komputerowe są znacznie dokładniejsze. Dla tak obliczonej wartości współczynnika kierunkowego b:

5. Potwierdza to również porównanie wartości współczynników z otrzymaną metodą najmniejszych kwadratów, pamiętając, że wartość współczynnika nachylenia prostej a jest równa:

Gdzie: n - ilość pomiarów.

A wartość współrzędnej y dla zerowego stężenia kwasu octowego b wynosi:

Następnie obliczamy:

Różnica w wartości współczynnika b obliczona komputerowo, a metodą najmniejszych kwadratów wynika z większej dokładności obliczeń wykonanych przez komputer.