Współczynnik podziału słabego kwasu pomiędzy fazą wodną a organiczną.
DATA WYKONANIA ĆWICZENIA:
ZESPÓŁ:
1. WSTĘP TEORETYCZNY:
Rozważając układ izotermiczno – izobaryczny złożony z dwóch praktycznie nie mieszających się cieczy 1 i 2 otrzymujemy układ 2 – fazowy ciekły, a wytworzone fazy nazwać można fazą I i II.
Faza I jest nasyconym roztworem składnika 2 w 1, faza II jest nasyconym roztworem składnika 1 w 2. Wprowadzając do jednej z tych faz substancję 3 (słaby kwas organiczny) rozpocznie się proces przenoszenia przez granicę faz substancji 3. Proces ten będzie trwał do chwili ustalenia się równowagi termodynamicznej. Zgodnie z zasadą termodynamiki dla układów wielofazowych w stanie równowagi potencjały chemiczne składnika 3 muszą być jednakowe dla obu faz.
- standardowe potencjały chemiczne składnika 3 w fazach I i II,
a zatem:
- -odpowiednia aktywność składnika 3 w fazach I i II
Stan standardowy wybrano tak, że współczynniki aktywności są równe jedności w roztworach nieskończenie rozcieńczonych.
Dla realnych stężeń określa się tzw. współczynnik podziału Nernsta wyrażany przy pomocy stężeń:
Współczynnik podziału Nernsta jest to stosunek stężeń składnika występującego w obu fazach w postaci cząsteczek jednego typu.
Tak zdefiniowany współczynnik podziału zmienia się ze stężeniem dlatego, że roztwory nie są doskonałe.
W szczególnym przypadku składnik 3 jest w fazie I częściowo zdysocjowany, a w fazie II częściowo zasocjowany.
2. CEL ĆWICZENIA:
Na podstawie miareczkowania kwasu w fazie ksylenowej należy wyznaczyć graficznie współczynnik podziału kwasu między fazą wodną, a ksylenową oraz stałą równowagi asocjacji kwasu w fazie ksylenowej. Do dyspozycji dany jest układ trójskładnikowy dwufazowy kwas benzoesowy – woda – ksylen.
3. ZADANE PARAMETRY:
Dane są trzy naważki kwasu benzoesowego, odpowiednie objętości cieczy, tzn. ksylenu i wody. Doświadczenie prowadzi się w stałej temperaturze otoczenia. Te dane początkowe determinują zarówno stężenia każdego składnika w mieszaninie trójskładnikowej, jak i odpowiednie stężenia w fazach I i II po procesie dyfuzji przez granicę faz. W funkcji tych danych można wyznaczyć poszukiwane parametry, tzn. współczynnik podziału oraz stałą równowagi asocjacji – będące celem ćwiczenia.
4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA:
1. Przygotowanie trzech kolejnych naważek kwasu benzoesowego.
2. Rozpuszczenie naważek w trzech porcjach 25 ml ksylenu, w trzech kolbach Erlenmayer’a.
3. Przelanie roztworów do trzech szczelnych rozdzielaczy, zadanie każdego roztworu 35 ml wody.
4. Wytrząsanie trzech mieszanin, każdą w czasie minimum 20 minut, w celu dokładnego wymieszania i dyfuzji składnika 3 do dwóch faz, które się wytworzyły.
5. Pozostawienie rozdzielaczy w stanie stabilnym, każdy minimum po 30 minut, tak, aby nastąpiło dokładne rozwarstwienie dwóch faz i ich wzajemne oczyszczenie.
6. Pobranie próbek 5-mililitrowych z fazy wodnej (o większej gęstości, a więc znajdującej się u podstawy rozdzielacza) – z każdego rozdzielacza po dwie próbki.
7. Miareczkowanie każdej próbki w stałej temperaturze otoczenia, za pomocą 0,01M NaOH, w obecności fenoloftaleiny, aż do pojawienia się lekko różowego zabarwienia nie zanikającego po kilku sekundach.
Należy przeprowadzić sześć miareczkowań – po dwa dla każdego zestawu próbek z trzech rozdzielaczy.
5. WYNIKI POMIARÓW:
ZESTAWIENIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH
TEMPERATURA:
OBJĘTOŚĆ WODY / FAZY WODNEJ:
OBJĘTOŚĆ KSYLENU / FAZY KSYLENOWEJ:
OBJĘTOŚĆ PRÓBKI FAZY WODNEJ
STĘŻENIE ZASADY
MASA MOLOWA KWASU:
STAŁA DYSOCJACJI KWASU:
L.P.
m
[g]
[-]
1
0.75
0.0169
0.2222
0.0597
0.0159
13.1479
13.9748
8.45
2
0.85
0.0184
0.2529
0.0573
0.0173
13.7446
14.6185
9.20
3
0.95
0.0195
0.2842
0.0557
14.5744
15.4457
9.75
Przeliczenie stężenia - całkowitego stężenia w fazie wodnej:
W momencie odmiareczkowania kwasu zawartego w fazie wodnej zasadą sodową o konkretnym stężeniu (gdy roztwór się nie odbarwia) można zapisać równość:
.
W związku z tym można zapisać zależność na stężenie kwasu w fazie wodnej:
Z kolei stężenie - całkowite stężenie w fazie ksylenowej, określa się na podstawie bilansu składnika rozpuszczonego:
Stopień dysocjacji liczy się w oparciu o wyrażenie na stałą dysocjacji kwasu:
OPRACOWANIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH:
Dla układu trójskładnikowego dwufazowego kwas benzoesowy – woda – ksylen można zapisać równanie łączące charakterystyczne wielkości zadane i szukane:
Jest to zarazem równanie prostej y = a x + b, jeżeli przyjmie się następujące założenia:
W związku z tym można obliczyć wartości dwóch stałych charakterystycznych:
Należy jeszcze określić metodą regresji liniowej współczynniki prostej, a i b:
...
DWito