Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego

Transkrypt

1 Katedra Chem Fzycznej Unwersytetu Łódzkego Wyznaczane współczynnka podzału Nernsta w układze: woda aceton chloroform metodą refraktometryczną opracowała dr hab. Małgorzata Jóźwak ćwczene nr 0 Zakres zagadneń obowązujących do ćwczena 1. Współczynnk załamana śwatła. 2. Wyprowadzene prawa podzału Nernsta.. Współczynnk podzału w układach rzeczywstych. 4. Zastosowane współczynnka podzału w laboratorum przemyśle. Lteratura 1. Praca zborowa pod redakcją Woźnckej J. Pekarskego H., Ćwczena laboratoryjne z chem fzycznej, Wydawnctwo UŁ, Łódź Sobczyk L., Ksza A., Gatner K., Koll A., Eksperymentalna chema fzyczna, PWN, Warszawa Buchowsk H., Ufnalsk W., Roztwory, z cyklu Wykłady z chem fzycznej, WNT, Warszawa Brdčka R., Podstawy chem fzycznej, PWN, Warszawa Praca zborowa pod red. Belańskego A., Chema fzyczna, PWN, Warszawa Sobczyk L., Ksza A., Chema fzyczna dla przyrodnków, PWN, Warszawa Pgoń K., Ruzewcz Z., Chema fzyczna, PWN, Warszawa Tomass W., Jankowska H., Chema fzyczna, WNT, Warszawa Bursa S., Chema fzyczna, PWN, Warszawa

2 Celem ćwczena jest wyznaczene stałej podzału acetonu pomędzy wodę chloroform metodą pomaru współczynnka załamana śwatła. Odczynnk chemczne sprzęt laboratoryjny: woda, aceton, chloroform, wytrząsarka, 10 kolbek (50 cm ), 10 probówek z zakrętkam, statyw, 4 ppety (10 cm ), 2 ppety (1 cm ), wkraplacz, gruszka gumowa. Układ pomarowy Do wyznaczana stężena acetonu w wodze używany jest refraktometr zanurzenowy zaopatrzony w termopryzmat T1, który umożlwa pomar współczynnka załamana śwatła w zakrese od n D = 1,259 do n D = 1,6640. Na podstawe zman wartośc tego współczynnka wraz ze zmaną składu roztworu, możlwe jest oznaczene stężena acetonu, dzelącego sę mędzy wodę tetrachloroetylen. Refraktometr zanurzenowy z termopryzmatem T1 został wcześnej wykalbrowany przy użycu wody destylowanej pozwala uzyskwać bezpośredno wartośc współczynnka załamana śwatła w skal refraktometru zanurzenowego r z. Do opracowana wynków pomarów uzyskanych w ćwczenu ne jest koneczne, chocaż możlwe (patrz: Tabela 1), przelczene wartośc współczynnka załamana śwatła ze skal refraktometru zanurzenowego r z na skalę bezwzględną n D. Zmerzone wartośc współczynnka załamana r z służą tylko do wykonana krzywej kalbracyjnej r z = f(stężene) w celu odczytana zman stężena acetonu w wodze po podzale. Ogólny schemat budowy refraktometru zanurzenowego jest przedstawony na rysunku 1. Częśc wymenne refraktometru to pryzmat zanurzenowy (A) oraz termopryzmat (B) przedstawone na rysunku 2. 2

3 1 A B Rys. 1. Refraktometr zanurzenowy. Rys. 2. Pryzmat zanurzenowy (A) termopryzmat (B). 1 śruba drobnego przesuwu; 2 kompensator dyspersyjny; perśceń łączący; 4 bolce do uchwytu; 5 pryzmat ośwetlający; 6 pryzmat pomarowy; 7 perśceń do umeszczena termometru; otwór do umeszczana badanej próbk; Schemat optyczny begu promen śwetlnych w refraktometrze zanurzenowym z termopryzmatem przedstawono na rysunku. Oznaczena zastosowane na tym schemace są powązane z numeracją przyjętą na wcześnejszych rysunkach. Rys.. Schemat optyczny begu promen w refraktometrze zanurzenowym z zastosowanem termopryzmatu. Wykonane ćwczena przedstawene wynków pomarów 1. W 10 ponumerowanych kolbkach o pojemnośc 50 cm przygotować roztwory acetonu w wodze. Objętośc acetonu wody podane są w tabel wynków pomarów. Całkowta objętość roztworów pownna wynosć V r = 15 cm. W kolbce nr 0 umeścć cm wody destylowanej. 2. Z kolbek 1 10 pobrać 10 cm roztworu acetonu w wodze wlać do kolejno ponumerowanych probówek umeszczonych w statywe.

4 . Do każdej probówk dodać 10 cm chloroformu. 4. Probówk zamknąć zakrętkam umeścć na wytrząsarce. Całość wytrząsać przez 15 mnut następne przełożyć probówk do statywu na 1 godznę. Zanotować temperaturę pomaru t. 5. W tym czase wykonać pomar współczynnka załamana śwatła przed podzałem r z roztworów znajdujących sę w kolbkach 1 10 oraz wody, wykorzystując refraktometr zanurzenowy z termopryzmatem T1. W tym celu należy: a) włączyć lampę sodową do sec skerować śwatło na pryzmat ośwetlający (5). b) próbkę badanej ceczy wprowadzć poprzez specjalny otwór () przy użycu wkraplacza, do przestrzen mędzy pryzmatem ośwetlającym (5) pomarowym (6). c) odczytać na głównej skal refraktometru zanurzenowego (10), wdocznej w okularze, położene ln grancznej mędzy jasnym cemnym polem, odpowadające współczynnkow załamana r z. (Jeżel np. lna granczna znajduje sę mędzy kreskam 11 12, należy śrubą drobnego przesuwu (1) przesunąć ją na wartość nższą, tzn. 11. Następne, na dzesętnej skal śruby drobnego przesuwu odczytać wartość, która odpowada dzesętnej częśc współczynnka załamana, np. 7. W rezultace, zmerzona wartość współczynnka załamana śwatła w skal refraktometru zanurzenowego r z wynos 11,7). Do pomarów należy używać suchego wkraplacza. Po każdym wykonanym pomarze pryzmaty wkraplacz należy osuszyć. 6. Po upływe 1 godzny, z każdej probówk pobrać próbkę górnej warstwy wodnego roztworu acetonu zmerzyć jej współczynnk załamana śwatła po podzale r z. 7. Po zakończenu pomarów roztwory wylać do specjalnej butl z napsem zlewk. Szklany sprzęt umyć przepłukać wodą destylowaną. 4

5 Tabela wynków pomarów: nr kolbk objętość acetonu V [cm ] objętość wody [cm ] stężene acetonu w wodze przed podzałem c [mol dm - ] współczynnk załamana r z przed podzałem współczynnk załamana r z po podzale stężene acetonu w wodze po podzale c [mol dm - ] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5,0,5 4,0 4,5 5,0 cm 14,5 14,0 1,5 1,0 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 równane prostej r z = a + bc Opracowane dyskusja wynków pomarów Do opracowana wynków pomarów stałej podzału acetonu pomędzy wodę chloroform można zastosować równane które po zlogarytmowanu przyjmuje postać: c = Kc (1) 1 ( c ) n lg c = lg Kc + 1 lg c (2) n gdze: c stężene substancj rozpuszczonej w faze wodnej, c stężene substancj rozpuszczonej w faze organcznej, n = M M stosunek średnej masy cząsteczkowej substancj rozpuszczonej w faze organcznej do masy cząsteczkowej tej substancj w faze wodnej, K c współczynnk podzału. Jeżel zatem w układze współrzędnych lg c = f(lg c ) zależność okaże sę lną prostą, to z wykresu można odczytać jej wyraz wolny lg K c oraz nachylene 1 ; tym samym n oblczyć stałe K c n. W celu uzyskana wyżej wspomnanej zależnośc, nezbędna jest znajomość stężena acetonu po podzale zarówno w warstwe wodnej c, jak w warstwe chloroformu c. 5

6 Wyznaczane stężena acetonu w wodze po podzale c. 1. Oblczyć stężene molowe acetonu c w wodze przed podzałem korzystając z zależnośc: c dv 1000 = [mol dm - ] () M V gdze: d gęstość acetonu, V jego objętość (dane zaczerpnąć z tabel wynków), M masa molowa acetonu, V r objętość roztworu (15 cm ). Gęstość acetonu d [g cm - ] w temperaturze pomaru t oblczyć korzystając z równana: d = 0,140 0,00116t 2. Wykreślć krzywą kalbracyjną r z = f(c ) roztworów acetonu w wodze przed podzałem, która w badanym zakrese jest lną prostą.. Metodą najmnejszych kwadratów oblczyć współczynnk prostej: r z = a + bc (4) 4. Wykorzystując zmerzone wartośc współczynnka załamana śwatła roztworów po podzale r z, oblczyć na podstawe równana prostej (4) stężena molowe acetonu w wodze po podzale c. r Wyznaczane stężena acetonu w warstwe tetrachloroetylenu po podzale c. 1. Stężene acetonu w warstwe organcznej c wyraża zależność: c 1000n = 10 + V [mol dm - ] (5) gdze: n jest lczbą mol acetonu, która przeszła (na skutek podzału acetonu pomędzy obe warstwy) do tetrachloroetylenu, zaś (10 +V ) oznacza objętość warstwy organcznej po podzale (złożonej z 10 cm V acetonu). tetrachloroetylenu Aby uzyskać n oraz V należy powązać te welkośc ze stężenem acetonu w faze wodnej po podzale c otrzymanym na podstawe zmerzonych wcześnej wartośc współczynnka załamana śwatła (wzór 4). 6

7 Objętość warstwy wodnej po podzale wynos: (10 V ), zaś lczba mol acetonu w warstwe wodnej po podzale: (n n ). Zatem, stężene acetonu w faze wodnej po podzale c można przedstawć równanem: c ( n n ) 1000 ( n n ) 1000 = = 10 V n M 10 d [mol dm - ] (6) Lczbę mol acetonu n zawartą w 10 cm wodnego roztworu acetonu o stężenu c, która ulega podzałow pomędzy wodę tetrachloroetylen wyraża zależność: Objętość acetonu po podzale V przedstawa równane: n 10c = = 0, 01c (7) 1000 V n M = () d Na podstawe zależnośc (6) () można wyprowadzć równana (9) (10) pozwalające oblczyć n oraz V (w powązanu z uzyskanym na drodze dośwadczalnej wartoścam c ): n V = = M c d ( 1000n 10c ) 1000d Mc M ( 1000n 10c ) 1000d (9) (10) 2. W celu wyznaczena stężena acetonu w warstwe organcznej c (wzór 5) należy oblczyć kolejno: n, n oraz V z równań (7), (9) (10).. Wynk oblczeń zameścć w ponższej tabel. Wyznaczane stałych K c n 1. Oblczyć wartośc lg c oraz lg c wykreślć zależność lg c = f(lg c ). 2. Z wykresu odczytać lg K c 1 n. Oblczyć stałe K c n.. Na podstawe welkośc stałej n w równanu Nernsta należy wycągnąć wnosk dotyczące asocjacj acetonu w chloroforme. 7

8 Tabela wynków oblczeń. nr próbk c [mol dm - ] c [mol dm - ] n [mole] n [mole] V [cm ] c [mol dm - ] lg c lg c Stałe równana Nernsta 1/n n log K c K c Uwaga: Stosując ten sam układ pomarowy oraz ten sam sposób oblczeń, współczynnk podzału Nernsta można wyznaczyć równeż w przypadku układu woda zopropanol chloroform. Zależność gęstośc zo-propanolu od temperatury wyraża równane: d = 0,2570 0,0017t Przelczene współczynnka załamana śwatła ze skal refraktometru zanurzenowego na bezwzględny współczynnk załamana śwatła Za pomocą odpowednch tabel (Wagners Tabellen zum Entachrefraktometer, IV Auflage VEB C. Zess, Jena 1955) można przelczyć wartość współczynnka załamana wyrażoną w skal refraktometru zanurzenowego r z na bezwzględną wartość współczynnka załamana n D. Dla używanego w tym ćwczenu pryzmatu T1 przelczena te podane są w tabel 1.

9 Tabela 1. Współczynnk załamana śwatła wyrażony w skal refraktometru zanurzenowego r z przy zastosowanu termopryzmatu T1 odpowadające mu wartośc współczynnka załamana śwatła n D. r z n D r z n D r z n D r z n D r z n D ,6640 1,6605 1,6570 1,654 1,6499 1,6464 1,6429 1,69 1,65 1,622 1,627 1,6252 1,6216 1,611 1,6145 1,6110 1,6074 1,60 1,600 1,5967 1,591 1, ,559 1,52 1,577 1,5751 1,5715 1,5679 1,5642 1,5606 1,5570 1,554 1,5497 1,5461 1,5424 1,5 1,551 1,515 1,527 1,5242 1,5205 1,516 1,511 1, ,505 1,5021 1,494 1,4947 1,4910 1,47 1,46 1,4799 1,4762 1,4724 1,467 1,4650 1,461 1,4575 1,45 1,4500 1,446 1,4425 1,47 1,450 1,412 1, ,426 1,419 1,4161 1,412 1,405 1,4047 1,4009 1,971 1,9 1,95 1,57 1,19 1,71 1,742 1,704 1,666 1,62 1,59 1,551 1,51 1,474 1, ,97 1,59 1,20 1,21 1,242 1,204 1,165 1,126 1,07 1,04 1,009 1,2970 1,291 1,292 1,25 1,214 1,2775 1,276 1,2697 1,2657 1,261 1,257 1,259 Przelczena współczynnka załamana śwatła ze skal refraktometru zanurzenowego na bezwzględny współczynnk załamana śwatła można dokonać stosując wzór: n D = a + [(b a)/10]c gdze: a wartość współczynnka załamana śwatła odpowadająca lczbe r z odczytanej na głównej skal refraktometru zanurzenowego, b wartość współczynnka załamana n D dla następnej lczby całkowtej po lczbe r z, c wartość odczytana na dzesętnej skal śruby drobnego przesuwu. Jeżel np. odczytana na refraktometrze zanurzenowym wartość refrakcj r z wynos 11,7, to szukana wartość współczynnka załamana śwatła n D będze równa: n D = 1, [(1,60 1,6074)/10] 7 = 1,6074 0,00025 = 1,6049 W tabel 2 podano współczynnk załamana śwatła wody destylowanej wyrażony w skal refraktometru zanurzenowego r z odpowadające mu wartośc współczynnka załamana śwatła n D w różnych temperaturach. 9

10 Tabela 2. Wartośc współczynnka załamana śwatła wody destylowanej w zależnośc od temperatury. temperatura [ o C] r z n D temperatura [ o C] r z n D ,90 5,10 5,0 5, ,24 1,16 1,07 1,299 1, ,00 6,25 6,50 6,75 7,00 1,21 1,272 1,26 1,252 1,242 10