ĆWICZENIE 10 Prawo podziału Nernsta

Transkrypt

1 ĆWCZENE 0 Prawo podziału Nersta Wprowadzeie: Substaja rozpuszzoa w dwóh pozostająyh w rówowadze ze sobą fazah (p. dwie iemieszająe się ze sobą ieze, iez i gaz itp.) ulega rozdziałowi pomiędzy te fazy. W określoej temperaturze stosuek stęŝeń tej substaji w obu fazah jest wielkośią stałą. Jest to podae przez Nersta tzw. prawo podziału. Ozazają przez oraz stęŝeia substaji rozpuszzoej w fazah oraz moŝa zapisać: () Stała r osi azwę współzyika podziału. Prawo podziału Nersta stosuje się w tej formie w roztworah rozieńzoyh w przypadku, gdy sta ząstezkowy substaji rozpuszzoej jest jedakowy w obu fazah. Rozpatrzmy obeie przypadek substaji która w jedej z faz ulega silej asojaji, atomiast w drugiej pozostaje główie w staie zdysojowaym (proes odwroty do asojaji). Rówowagi te ilustruje poiŝszy shemat: Faza : A A Faza : A A W kaŝdej z faz ustala się rówowaga asojayjo-dysojayja (a shemaie zazazoo pogrubioymi strzałkami przesuięia stau rówowagi). W fazie astępuje sile przesuięie rówowagi w kieruku asojaji (p. stopień dysojaji α 0,0), atomiast w fazie rówowaga przesuwa się w stroę dysojaji (p. stopień dysojaji α 0,99). Przy tyh załoŝeiah moŝa zapisać w przybliŝeiu: A, oraz gdzie: oraz aalityzie określoe stęŝeia substaji A bez uwzględieia asojaji zy dysojaji. Stay rówowagi w poszzególyh fazah harakteryzują odpowiedie stałe: A, = () ( ) ( ) oraz A, A, = (3) ( ) ( ) Jeśli substaja rozpuszzoa ulega zęśiowej dysojaji lub asojaji, prawo podziału zahowuje waŝość dla ułamka substaji występująej w tym staie ząstezkowym w obu fazah. Biorą to pod uwagę moŝa zapisać: Postać, w jakiej występuje substaja p. ząstezki, joy, koglomeraty ząstezek. Asojaja łązeie się ząstezek w większe zespoły, koglomeraty.

2 Wartość w rówaiu (4) jest truda do wyzazeia doświadzalie, gdyŝ w fazie sta rówowagi jest silie przesuięty w kieruku tworzeia asojatów A. W związku z tym zastępujemy przez, które jest łatwe do ozazeia a drodze aalityzej. W tym elu przekształa się rówaie (): = (5) Wstawiają wyraŝeie (5) do rówaia (4) otrzymuje się: = = r lub w dogodiejszej dla doświadzalego sprawdzeia postai: log = log + log (7) JeŜeli podziałowi pomiędzy dwa rozpuszzaliki ulega zdysojoway elektrolit, wtedy jedoześie ustala się rówowaga pomiędzy ząstezkami i joami w obrębie kaŝdej fazy (tu: dysojaja elektrolityza) oraz rówowaga podziału ząstezek iezdysojowayh pomiędzy obie fazy. W przypadku moyh elektrolitów prawo podziału aleŝy zapisać z uwzględieiem aktywośi (stosowaie stęŝeń prowadzi do uzyskaia błędyh wyików): a (8) a Prawo podziału posiada wiele praktyzyh zastosowań zarówo w pray laboratoryjej, jak i w przemyśle, p.: ekstrakja rozdzielaie mieszai soli metali (p. Fe-Ni-Co; Cu-Co-Ni) w roztworah wodyh (p. roztwory po ługowaiu rud) przy uŝyiu eterów, alkoholi, aldehydów itp. Zazwyzaj przejśie soli z fazy wodej do roztworów orgaizyh łązy się ze zmiaą stau ząstezkowego w wyiku powstawaia związków kompleksowyh. Metoda ekstrakyja jest stosowaa rówieŝ w aalizie hemizej do rozdziału ozazayh substaji lub do usuwaia soli utrudiająyh aalizę. odtleiaie stali przez redukję FeO w ŜuŜlu przyjmuje się zęsto, Ŝe tle występuje w stali pod postaią FeO. Pomiędzy FeO zajdująym się w stali a FeO zawartym w ŜuŜlu ustala się rówowaga zgodie z prawem podziału Nersta: [ FeO] ś [ FeO] S Zmiejszają stęŝeie FeO w ŜuŜlu (redukja węglem a powierzhię ŜuŜla sypie się koks) zmiejsza się jedoześie ilość FeO w stali, gdyŝ stosuek tyh stęŝeń jest stały. Poday wyŝej opis zjawiska jest uproszzeiem przydatym dla elów praktyzyh. W rzezywistośi FeO występuje w ŜuŜlu w postai związaej (ajzęśiej w gliokrzemiaah), takŝe forma występowaia tleu w stali ie jest dokładie określoa. Rozpuszzaie wodoru w iekłej stali (Ŝeliwie) dysojaja wodoru H H w stali jest przesuięta praktyzie ałkowiie w prawo. W pozostająej w kotakie z kąpielą atmosferze rówowaga tej reakji jest przesuięta silie w lewo ( w temperaturah rzędu tysiąa paruset o C pojawia się wodór atomowy w ilośiah (4) (6)

3 ułamka proeta). W związku z tym zaleŝość stęŝeia wodoru w stali od jego stęŝeia w atmosferze p H (iśieie ząstkowe wodoru) opisuje rówaie Sievertsa: = p H Cel ćwizeia: Celem ćwizeia jest wyzazeie współzyika podziału kwasu otowego pomiędzy wodę i butaol oraz sprawdzeie zy kwas otowy występuje w tym samym staie ząstezkowym w obydwu fazah. W przypadku stwierdzeia róŝi stau ząstezkowego aleŝy wyzazyć ilość ząstezek tworząyh asojaty. W opariu o dae tabliowe aleŝy przeprowadzić aalogize oblizeia dla układu kwas bezoesowy- woda-beze. Aparatura i odzyiki: 6 rozdzielazy 50 m 3 M CH 3 COOH 5 kolbek miarowyh 50 m 3 -butaol 7 zlewek 00 m 3 0, M NaOH kolbki stoŝkowe feoloftaleia biurety ze statywami pipeta 5 m 3 pipeta 5 m 3 statyw a rozdzielaze pompka Wykoaie ćwizeia:. NaleŜy przygotować 6 roztworów kwasu otowego o róŝyh stęŝeiah:,0 M; 0,75M; 0,5 M; 0,5 M; 0, M; 0,05 M. W tym elu aleŝy odmierzyć za pomoą biurety M roztwór CH 3 COOH do 6 kolbek miarowyh o objętośi 50 m 3 w astępująyh ilośiah: 50 m 3 ; 37,5 m 3 ; 5 m 3 ;,5 m 3 ; 5 m 3 ;,5 m 3. Roztwory w kolbkah uzupełić wodą destylowaą do kreski i dokładie wymieszać.. Do 6 rozdzielazy dodać kolejo po 5 m 3 przygotowayh roztworów kwasu otowego oraz po 5 m 3 butaolu. Rozdzielze zamkąć szzelie korkami, po zym aleŝy wytrząsać kaŝdy roztwór o ajmiej przez 0 mi. Po zakońzeiu wytrząsaia rozdzielaze umieśić w statywie i pozostawić do mometu ałkowitego rozdzieleia fazy wodej od fazy orgaizej. Górą warstwę staowi roztwór kwasu otowego w butaolu, atomiast dolą wody roztwór kwasu otowego. 3. Do zlewek aleŝy spuśić taką ilość dolej warstwy, by mó z iej odpipetować po dwie próbki o objętośi 5 m 3. Próbki aleŝy odpipetować do kolbek stoŝkowyh, dodać po dwie krople feoloftaleiy i miarezkować za pomoą 0, M roztworu NaOH do mometu zmiay barwy roztworu z bezbarwej a lekko róŝową. Uzyskae wyiki zaotować w tabeli. 3

4 Nr próbki Tabela Wyiki ozazeń współzyika podziału kwasu otowego pomiędzy wodę i butaol V W = 5 m 3 V B = 5 m 3 V p = 5 m 3 NaOH = 0, M T =.. o C StęŜeie pozątkowe CH 3 COOH w fazie wodej o W, M,00 0,75 0,50 0,5 0,0 0,05 StęŜeie CH 3 COOH po podziale Objętość NaOH w fazie wodej w fazie butaolowej zuŝyta do miarezkowaia V NaOH, m 3 W, M log W B, M log B B W Opraowaie wyików:. Oblizyć stęŝeia kwasu otowego w fazie wodej W i fazie butaolowej B po podziale, a astępie wylizyć wartośi B / W dla poszzególyh pomiarów i wyiągąć stąd wioski o do stau ząstezkowego kwasu otowego w fazah badaego układu.. W przypadku stwierdzeia róŝi stau ząstezkowego w fazie wodej i butaolowej aleŝy stwierdzić zy wzór (7) opisuje zadawalająo badae zjawisko. W tym elu wykreśla się zaleŝość log W =f (log B ). Na podstawie kształtu otrzymaej zaleŝośi aleŝy wyiągąć wioski o stosowalośi wzorów (6) i (7) do opisu badaego układu. 3. W przypadku stwierdzeia stosowalośi rówaia (7) aleŝy wylizyć w opariu o sporządzoy wykres lizbę ząstek tworząą kompleks (patrz shemat). 4. W Tabeli zestawioo wyiki ozazeń wykoayh iezaleŝie przez Nersta i Smitha dla układu kwas bezoesowy-woda-beze. Dla obydwu serii pomiarowyh aleŝy przeprowadzić aalogize oblizeia jak w pkt.-3. NaleŜy porówać wyiki Nersta i Smitha oraz przeprowadzić dyskusję. 4

5 Tabela StęŜeia kwasu bezoesowego C 6 H 5 COOH pozostająego w rówowadze w fazie wodej i bezeowej. StęŜeie C 6 H 5 COOH w fazie wodej W StęŜeie C 6 H 5 COOH w fazie bezeowej B M g/dm 3 W M g/dm 3 B W Y N N E R N S T A T = 0 O C 87, , , ,5 0-4, , ,63 0,44 0,45 0,788,500,890 0,535 0,99,73 7,37 4, 97,0 W Y N S M T H A T = 5 O C,55 0-3, , ,5 0-3, , B W 5