Ćwiczenie XII: PRAWO PODZIAŁU NERNSTA

Transkrypt

1 Ćwiczenie XII: PRAWO PODZIAŁU NERNSTA opracowanie: Wojciech Solarski Wprowadzenie Prawo podziału sformułowane przez Walera H. Nensa opisuje układ rójskładnikowy, z czego dwa składniki o rozpuszczalniki o ograniczonej rozpuszczalności wzajemnej (nie mieszające się ze sobą, a rzecia o subsancja sała, ciekła lub gazowa dobrze rozpuszczająca się w obydwóch poprzednich. W warunkach równowagi ermodynamicznej, w sałej emperaurze i przy sałym ciśnieniu, sosunek akywności (sężeń rozpuszczonej subsancji w obydwóch rozpuszczalnikach jes wielkością sałą zwaną współczynnikiem podziału. Zależność powyższą można wyprowadzić z warunku równowagi ermodynamicznej, o jes z równości poencjałów chemicznych G n i subsancji rozpuszczonej w obydwóch fazach ciekłych. Jeśli oznaczymy T,p je lierami i, o warunek równowagi można przedsawić w posaci zapisu: ( = ( Rozwijając powyższe równanie o zależność poencjału chemicznego od akywności subsancji rozpuszczonej orzymujemy: gdzie: ( RTln(a c ( RT ln(a c ( sandardowy poencjał chemiczny subsancji rozpuszczonej w fazie, ( sandardowy poencjał chemiczny subsancji rozpuszczonej w fazie, (a akywność subsancji rozpuszczonej w fazie, (a akywność subsancji rozpuszczonej w fazie. Sąd można wyliczyć sosunek akywności subsancji w obydwóch fazach: (a (a e ( ( RT K N Współczynnik podziału K N jes warością sałą w danej emperaurze pod warunkiem, gdy san cząseczkowy subsancji rozpuszczonej jes w obydwóch fazach jednakowy.

2 Warość współczynnika podziału nie zależy od akywności subsancji rozpuszczonej, jes naomias cechą charakerysyczną dla danego układu rójskładnikowego zależną od emperaury i ciśnienia. Ten osani paramer odgrywa dużą rolę jedynie w przypadku, gdy subsancją rozpuszczoną jes gaz. Subsancja rozpuszczona, w zależności od swych właściwości, w obu fazach może ulegać przemianom np. dysocjacji elekroliycznej w rozpuszczalnikach polarnych lub asocjacji w rozpuszczalnikach organicznych. W układzie woda kwas benzoesowy oluen 6 H 5 OOH ulega podziałowi między dwie fazy i dysocjuje i asocjuje zgodnie ze schemaem przedsawionym na rys.. Rys.. Schema równowag kwasu benzoesowego w dwóch nie rozpuszczających się w sobie rozpuszczalnikach woda oluen. Zjawiska dysocjacji i asocjacji wpływają na warość współczynnika podziału subsancji rozpuszczonej i należy uwzględnić ich przebieg w układzie. Dysocjację elekroliyczną charakeryzuje sopień dysocjacji elekroliów związane są prawem rozcieńczeń Oswalda. Prawo o brzmi: i sała dysocjacji K a, kóre w przypadku słabych W miarę rozcieńczania rozworu słabego elekroliu jego sopień dysocjacji wzrasa odwronie proporcjonalnie do pierwiaska kwadraowego ze sężenia. Treść prawa można wyprowadzić z zapisu na sałą dysocjacji: Kd c przyjmując, że w przypadku słabych elekroliów mianownik ułamka zmierza do. Asocjacja ma miejsce w niepolarnych rozpuszczalnikach i określą ją sałą równowagi reakcji asocjacji zwana króko sałą asocjacji. Asocjacja polega na worzeniu cząsek zawierających dwie lub więcej cząseczek związanych wiązaniami wodorowymi. Srukurę dimeru kwasu benzoesowego podają poniższe wzory:

3 Aby obliczyć współczynnik podziału należy analiycznie określić akywność subsancji rozpuszczonej w obydwóch fazach, co w przypadku rozworów rozcieńczonych sprowadza się do wyznaczenia sężenia. W przypadku układu woda kwas benzoesowy oluen sężenie kwasu benzoesowego można określić wieloma meodami analizy np. na drodze miareczkowania, kolorymerycznie lub meodą chromaografii cieczowej. Niech sężenie całkowie kwasu benzoesowego w wodzie wynosi [BH c ] w. Dla słabego elekroliu, jakim jes kwas benzoesowy można napisać wyrażenie na sałą dysocjacji [H ][B ] K w d ( w kórym przez oznaczono sężenie niezdysocjowanego kwasu, a [B - ] w sężenie części zdysocjowanej. Sężenia jonu wodorowego i benzoesowego są sobie równe i wynoszą [H + ] = [B - ] w = [BH c ] w *, sężenie niezdysocjowanej części elekroliu = [BH c ] w *(-. Podsawiając e warości do równania (, po przekszałceniu, orzymamy równanie kwadraowe ze względu na : [ BHc ] w Kd Kd Po rozwiązaniu ego równania można wyliczyć sężenie niezdysocjowanego kwasu benzoesowego [BHc] w Kd Kd 4Kd[BHc] w ( W fazie oluenowej usala się równowaga: BH (BH Można napisać dla ej reakcji sałą równowagi zwana sałą asocjacji: [(BH ] K a (3 [BH] Ponieważ całkowie sężenie kwasu benzoesowego w fazie oluenowej jes równe sumie formy prosej i asocjowanej: [ BH c ] [BH] [(BH ] o, po podsawieniu za [(BH ] wyrażenia,5([bh c ] - [BH] do równania (3 orzymamy równanie kwadraowe: K a ([BH] + [BH] - (BH c = kórego pierwiaskiem spełniającym warunki fizyczne jes: [ BH] 8Ka[BHc] 4Ka 3

4 Na granicy faz usala się równowaga związana z podziałem kwasu benzoesowego między wodę a oluen. Współczynnik podziału definiowany jes jako iloraz sężeń jednakowych form kwasu benzoesowego w obydwóch rozworach, czyli iloraz sężenia niezasocjowanych cząseczek [BH] w oluenie do sężenia niezdysocjowanych cząseczek w fazie wodnej: [BH] K N Po podsawieniu wyliczonej warości [BH] orzymamy wyrażenie: z kórego można uzyskać zależność: K N 4K a 8K a [BH] [BH w c ] [BH c ] KN KN Ka[BH ] w (4 We wzorze (4 znane są warości: [BH c ] - całkowie sężenie molowe kwasu benzoesowego w oluenie, - sężenie niezdysocjowanego kwasu benzoesowego w fazie wodnej obliczone z równania (. Jes o, zaem równanie prosej i ławo meodą graficzną można określić K N jako wyraz wolny, a z współczynnika kierunkowego prosej obliczyć warość K a. Wykonanie ćwiczenia.. Odważyć na wadze auomaycznej czery naważki kwasu benzoesowego o masach podanych przez prowadzącego ćwiczenia (z dokładnością do,g.. Napełnić każdy z 4 rozdzielaczy 5 cm3 oluenu. Naważki kwasu benzoesowego przenieść ilościowo do rozdzielaczy. Osrożnie mieszając zawarość rozpuścić kwas w oluenie. 3. Dodać do każdego rozdzielacza cm3 wody desylowanej (rys.a. 4. Energicznie wyrząsać zawarość rozdzielaczy przez około min doprowadzając do rozdziału kwasu benzoesowego między wodę i oluen (rys.b. 5. Odsawić rozdzielacze do saywu i po kilku minuach, gdy obydwie warswy cieczy saną się klarowne, oddzielić ok. ¾ fazy wodnej od oluenowej wypuszczając ją z rozdzielacza do zlewki (rys.c. 6. Pobrać pipeą 5 cm 3 fazy wodnej do kolby sożkowej i miareczkować. M rozworem NaOH wobec fenolofaleiny w celu oznaczenia sężenie kwasu benzoesowego w wodzie. Powórzyć miareczkowanie, do obliczeń wziąć warość średnią. 4

5 Rys.. Schema rozdziału subsancji między dwie fazy. Opracowanie wyników. Na podsawie wyników miareczkowania obliczyć sężenie kwasu benzoesowego [BH c ] w w fazie wodnej [ BHc] w cnaoh vnaoh vkwasu gdzie: c NaOH - sężenie NaOH [mol/dm 3 ], v NaOH - objęość NaOH zużyego do zmiareczkowania kwasu [cm 3 ], v kwasu - objęość miareczkowanej próbki kwasu [cm 3 ].. Obliczyć sopień dysocjacji kwasu benzoesowego w rozworach oraz sężenie niezdysocjowanego kwasu. 3. Obliczyć masę i sężenie kwasu benzoesowego [BH c ] w rozworach oluenowych 4. Wyniki umieścić w abeli. 5. Korzysając z uzyskanych wyników narysować na arkuszu sprawozdania wykres zależności równania 4. Z wykresu odczyać warość współczynnika podziału K N, a sosunek współczynnika kierunkowego prosej obliczyć K a. (W razie wykonywania wykresu w kompuerze dołączyć wydruk do sprawozdania. Najważniejsze zagadnienia (pyania:. Zdefiniuj pojęcia: poencjał chemiczny, akywność, współczynnik akywności,. Termodynamiczny warunek równowagi chemicznej w układach wielofazowych 3. Sformułuj prawo podziału Nernsa 4. Zdefiniuj pojęcia asocjacji i dysocjacji elekroliycznej. Napisz równania asocjacji i dysocjacji dla dowolnego alifaycznego kwasu karboksylowego. 5

6 5. Sformułuj prawo rozcieńczeń Oswalda. Oblicz sopień dysocjacji kwasu eanowego o sężeniach:,m,, przyjmując warość sałej dysocjacji K d =, Zinerpreuj warość współczynnika podziału jakiejś subsancji w układzie okanol/woda wynoszącą K ow =,. 7. Na czym polega proces eksrakcji? Lieraura P.W. Akins, Podsawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa, hemia fizyczna, praca zbiorowa. wyd. PWN, Warszawa 965. Sprawozdanie przygoować wg załączonego wzoru 6

7 PRAWO PODZIAŁU NERNSTA Nazwisko: Imię: Wydział: Grupa: Zespół: Daa: Podpis prowadzącego: Tabela. Wyniki obliczeń Nr Masa naważki BH [mg] Wyniki Sężenie Sężenie [BH miareczkowania c ] w Sopień Sężenie [BH c ] dysocjacji I II śred. [g/dm 3 ] [mol/dm 3 ] [g/dm 3 ] [mol/dm 3 ] [mol/dm 3 ] [BH c ] 3 4 Współczynnik podziału K N = Sała asocjacji K a = 7