Изучение распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями

Министерство образования и науки РФ

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новгородский государственный университетимени Ярослава Мудрого

Институт сельского хозяйства и природных ресурсов

__________________________________________________________

Кафедра химии и экологии

ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВА МЕЖДУ ДВУМЯ НЕСМЕШИВАЮЩИМИСЯ РАСТВОРИТЕЛЯМИ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Физическая и коллоидная химия»

для специальности 060301.65 «Фармация»

Великий Новгород

2011

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.  рассчитать коэффициент распределения и сделать заключение о состоянии молекул уксусной кислоты в органическом растворителе;

2.  определить коэффициенты К и n в уравнении Шилова-Лепинь.

2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Система из двух практически не смешивающихся жидкостей и третьего, растворимого в них компонента является двухфазной (гетерогенной) при равновесии между обеими конденсированными фазами.

Концентрация третьего компонента в одной из фаз однозначно определяется концентрацией этого компонента в другой фазе при данной температуре.

Согласно закону распределения Нернста в идеальной равновесной системе отношения равновесных активностей растворенного вещества в двух несмешивающихся жидкостях есть величина постоянная при данной температуре и называется константой распределения Ка:

Ка = а2II/а2I (1)

где а2II – активновсть растворенного вещества в первом растворителе (слое);

а2I –активновсть растворенного вещества во втором растворителе (слое).

Активность компонента реального раствора равна

аi = gi·Сi,

где gi – коэффициент активности;

Сi– концентрация компонента раствора.

Следовательно: Ка = .

В разбавленных растворах gi ≈ 1 и Ка ≈ С2II/С2I = КС = К

К = С2II/С2I (2)

КС = К называют коэффициентом распределения. Константа распределения Ка не зависит от концентрации растворов Коэффициент распределения К зависит от концентрации растворов и стремится к Ка при концентрации растворенного вещества стремящейся к нулю.

Выражение К = С2II/С2I справедливо, если компонент в обоих растворителях находится в виде одинаковых частиц (молекул). Если в одной из фаз (например, в первом растворителе) растворенное вещество диссоциирует: АВ « А+ + В-, а в другом (органическом растворителе) – ассоциирует: nАВ « (АВ)n, то уравнение (2) принимает вид:

К = .

Это уравнение Шилова - Лепинь.

Если вещество только ассоциирует во второй фазе, то уравнение преобразуется в

К = (3)

где n – число частиц в ассоциате.

Тогда Кn = . (4)

Логарифмируя уравнение (3) получим:

n lg K = lg С2II – n lg С2I

lg С2II = n lg K + n lg С2I (5)

Если на оси абсцисс откладывать lg С2I, а на оси ординат – lg С2II, то получится прямая, тангенс угла наклона которой равен n, а отрезок, отсекаемой прямой на оси ординат, равен n lg K (рис.1).

 

lg С2II

 

n lg K

lg С2I

α

Рис.1 – График для определения констант К и n в уравнении

Шилова-Лепинь

Уравнение (5) позволяет определить графически n и К из экспериментальных данных.

Из экспериментальных данных известно, что карбоновые кислоты (молекулы которых малополярны), в неполярных растворителях существуют в виде двойных молекул (димеров). При этом n =2.Такие ассоциаты образуются за счет водородных связей. В воде димеры превращаются в мономеры, т. к. молекулы воды сами образуют водородные связи с молекулами карбоновой кислоты. Диссоциацией кислоты в водном растворе можно пренебречь.

Если распределяемое вещество во втором слое ассоциирует в димеры лишь частично, то 1< n < 2.

3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Большинство органических растворителей токсичны. Отбирайте пробы растворителей в вытяжном шкафу. Держите делительные воронки закрытыми.

Использованный растворитель сливайте в емкость для слива.

При работе с делительной воронкой проверяйте, закрыт ли кран.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В мерных колбах приготовьте по 50 мл растворов бензойной кислоты следующих концентраций:

0,0175; 0,015; 0,0125; 0,010; 0,0075; 0,005 моль/л.

Налейте по 20 мл каждого из приготовленных растворов и по 20 мл органического растворителя (хлороформ, бензол, четыреххлористый углерод) в конические колбы с притертыми пробками. Содержимое каждой колбы перемешивайте в течение 25-30 минут плавными круговыми движениями так, чтобы образовался круговорот.

Не трясите колбу! Может образоваться эмульсия которую трудно разрушить.

Перенесите смесь в делительную воронку и дайте ей расслоиться. Предварительно проверьте закрыт ли кран воронки!

Установите точные концентрации приготовленных растворов методом кислотно-основного титрования с помощью раствора NаОН различной концентрации. Выбирайте щелочь такой концентрации, чтобы она была примерно равна концентрации титруемой кислоты.

С2I(0) = Сн щел.·Vщел. / Vпробы

Определите концентрацию бензойной кислоты в водных слоях после распределения аналогичным образом.

С2I = Сн щел.·Vщел. / Vпробы

Результаты титрования оформите в виде таблицы.

Таблица 1 – Результаты титрования

№ п/п	Приблизи-тельная концен-трация кислоты, моль/л	Концен-трация щелочи, моль/л	Объем щелочи, пошедший на титро-вание, мл	Средний объем щелочи, пошедший на титро-вание, мл	Точная концен-трация кислоты, моль/л

Концентрация кислоты в органическом слое С2II будет равна:

С2II = С2I(0) – С2I.

Опытные данные оформите в виде таблицы:

Таблица 2 –Экспериментальные данные

N п/п	С2I(0), моль/л	С2I, моль/л	С2II, моль/л	К= С2II/С2I	К=	lg С2I	lg С2II

Проверьте, являются ли постоянными отношения С2II/С2I. и .

Постройте график lg С2II = ¦(lg С2I) (см. рис.1) и определите коэффициент распределения "К" и число частиц в ассоциате "n" в уравнении (3).

Практическое применение закон распределения находит при осуществлении процесса экстракции. Экстракция – извлечение растворенного вещества из раствора с помощью другого растворителя (экстрагента), не смешивающегося с первым. Количественной характеристикой полноты протекания экстракции является степень извлечения R, которая численно равна доле растворенного вещества, извлеченного из первого растворителя вторым.

R = ·100% = ·100% = ·100%.

Вычислите степень извлечения для каждой начальной концентрации кислоты. Отметьте, зависит ли она от начальной концентрации кислоты.

5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА

В отчеты должны быть отражены следующие вопросы:

1. цель работы;

2. расчеты по приготовлению растворов заданной концентрации;

3.  результаты титрования;

4. расчеты молярной концентрации бензойной кислоты в водном и органическом слое;

5. расчет коэффициента распределения по двум уравнениям

К = С2II/С2I и ; К= ;

6. график lg С2II = ¦(lg С2I);

7. расчеты степени извлечения кислоты.

8. выводы (в выводах приводят значение коэффициента "К" и число частиц в ассоциате "n", определенные по графику, отмечают частичную или полную ассоциацию кислоты., приводят значения степени извлечения).

6 ПРИМЕРНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. При 15°С водный раствор янтарной кислоты, содержащий 12,1 г/л кислоты, находится в равновесии с эфирным раствором янтарной кислоты, содержащим 2,2 г/л кислоты. Определите концентрацию янтарной кислоты в эфирном слое, который находится в равновесии с ее водным раствором, содержащим 4,84 г/л кислоты. Диссоциацией янтарной кислоты в обоих растворах пренебречь.

2. Какая масса йода останется в 1л водного раствора, который был насыщен при 18°С. После взбалтывания с 100 мл сероуглерода СS2? Растворимость йода в воде при 18°С 0,28г/л. Коэффициент распределения йода между сероуглеродом и водой равен 590.

3. Распределение фенола между водой и хлороформом при 25°С определяется следующими равновесными концентрациями:

Распределение фенола, мг/л	Распределение фенола, мг/л
в воде	в хлороформе	в воде	в хлороформе
73,7	254	247	1850
163	761	436	5430

Проверьте предположение, что фенол в хлороформе существует в форме (С6H5OH)х, где х – целое число. Вычислите х.