2. MEGOSZLÁSI EGYENSÚLY VIZSGÁLATA 1. Oldott anyag megoszlási egyensúlyának vizsgálata Megoszlás alatt azt a folyamatot értjük, mikor valamilyen B anyag két, egymással érintkező, de nem elegyedő (1) és (2) jelzésű oldószerben oldódik. A háromkomponensű, kétfázisú rendszerben izoterm-izobár körülmények között a megoszlási egyensúly feltétele a B anyag kémiai potenciáljának egyenlősége: (2) (1) B = B .
Ezen feltétel alapján mindaddig, amíg a közös fázishatáron át a B anyag eredő komponensárama nem lesz nulla, a nagyobb kémiai potenciálú fázisból B komponens áramlik (diffundál) a kisebb kémiai potenciálú fázisba. Az egyensúlyi állapot elérése esetén a fenti egyenlőséget a B anyag aktivitásával kifejezve: (1) o(2) (2) o(1) B RTlna B = B RTlna B ,
ahonnan rendezés után
ln
a B(1) a B(2)
Bo(2) Bo(1) RT
= lnKa
Izoterm-izobár megoszlási egyensúly esetén tehát a két, egymással nem elegyedő oldószerben az oldódó B anyag aktivitásának a hányadosa (Ka) állandó, amely a rendszerre jellemző érték és megoszlási egyensúlyi állandónak nevezünk. A B komponens aktivitása az aktivitási tényező (, y ) bevezetésével kifejezhető a különböző egységben kifejezett koncentrációkkal is, pl.
aB B xB
vagy
aB y B cB
Ezek figyelembe vételével a megoszlási egyensúlyi állandó a következő összefüggéssel számítható:
B(1) xB(1) y B(1)cB(1) Ka B(2) xB(2) y B(2)cB(2) ahol B és yB a koncentrációknak megfelelő aktivitási tényező. A híg oldatok esetén, amelyekben az aktivitási tényező gyakorlatilag egyhez közeli értékű, a megoszlási egyensúlyt a Kx, Kc stb. értékekkel jellemezhetjük:
1
xB(1) xB(2)
= Kx
ill.
cB(1) cB(2)
= Kc
A gyakorlaton a jód megoszlását vizsgáljuk szén-tetraklorid (CCl4) – víz (vagy más, a vízzel nem elegyedő, szerves oldószer – víz) rendszerben. Mind a víz, mind pedig a szerves oldószer vörösbarna, ill. lilásvörös színnel oldja a jódot, de a két oldószer nem elegyedik egymással. Ha ismert mennyiségű és koncentrációjú vizes jódoldathoz ismert mennyiségű szerves oldószert adunk, akkor az egyensúlyi állapot elérése után mindkét fázisban meghatározva a jódkoncentrációt, az egyensúlyi állandó kiszámítható. A színes oldatokban a jód a látható színképtartományban szelektív elnyeléssel rendelkezik és a hullámhossz függvényében végzett abszorpciós vizsgálattal kiválasztható a megfelelő színszűrő, amelynél a fényabszorpciónak (a belépő és a kilépő fény intenzitásviszonyának) az adott jódoldatban maximuma van. Lambert-Beer-törvény szerint adott hullámhossznál a fényelnyelés (A, abszorbancia) és a fényáteresztés (T, transzmittancia) arányos a jód koncentrációjával: A = lg
Io = 2-lgT = a l = c l I
Az összefüggésben: Io
a belépő fény intenzitása,
I
a kilépő fény intenzitása,
a
az ún. dekadikus abszorpciós együttható, cm-1 ,
l
a folyadék rétegvastagsága, cm,
a moláris abszorpciós együttható, dm3/cmmol,
c
az oldat jódkoncentrációja, mol/dm3 .
Mérési feladat: 1. Határozza meg a szerves oldószeres jódoldat fényabszorpciójának hullámhosszfüggését! 2. Mérje ki a szerves oldószeres jódoldat abszorbanciájának koncentrációfüggését! 3. Határozza meg az egyensúlyi szerves oldószeres jódoldat koncentrációját! 4. Számítsa ki a szerves oldószeres - H2O rendszerben a jód megoszlási hányadosát!
2
A gyakorlat kivitelezése: a.) A készen kapott 0,005 mol/dm3 koncentrációjú vizes KI-os jódoldatból 20 cm3-t csiszolt dugós választótölcsérbe pipettázunk. Az oldathoz 20 cm3 szerves oldószert adunk, a választótölcsért dugójával lezárjuk, és alaposan összerázzuk. A rázogatást - az egyensúly gyorsabb beállása céljából - kb. 1 órán át 5-10 percenként megismételjük. b.) A megoszlási egyensúly beállása közben elvégezzük a fényabszorpciókoncentráció kalibrációs vizsgálatot. A Spektromom típusú fotométerrel megmérjük az 0,001 mol/dm3 szerves oldószeres jódoldat abszorbanciáját (fényelnyelését) 1 cm-es küvettában, különböző színszűrőkkel a készülék kezelési utasításában leírtaknak megfelelően. Ábrázoljuk az a = f() függvényt és kiválasztjuk az abszorbancia maximumához tartozó színszűrőt a további vizsgálatokhoz. c.) A kiválasztott színszűrővel 1 cm-es küvettában megmérjük az elkészített, különböző jód-koncentrációjú szerves oldószeres kalibráló oldatok abszorbanciáját és fényáteresztését, majd kiszámítjuk a dekadikus abszorbanciát (a) és a moláris abszorpciós együtthatót (ε). d.) A számított a értékeket ábrázolva az oldatok jódkoncentrációjának függvényében (a=f(cI)) egyenest kapunk (a mérési pontok ábrázolásakor alkalmazzunk grafikus kiegyenlítést). Az így elkészített kalibrációs egyenest használjuk fel a megoszlási egyensúly beállása után a szerves oldószeres fázis jódkoncentrációjának a meghatározására. e.) A megoszlási egyensúly beállása után a két fázist szétválasztjuk úgy, hogy az alsó fázisban lévő szerves oldószeres jódoldatot a választótölcsér csapjának elfordításával lassan egy tiszta pohárba engedjük. Ebből az oldatból 10 cm3-t pipettával 50 cm3-es normállombikba pipettázunk és az oldat térfogatát szerves oldószerrel 50 cm3-re egészítjük ki, és jól összerázzuk. (Ez 5-szörös hígítást jelent, amit a szerves fázis jód-koncentrációjának meghatározásakor figyelembe kell venni.) Az így kapott oldat koncentrációját határozzuk meg fotometriásan, hasonló módon, mint azt a kalibrációs vizsgálatnál tettük. f.) A kalibrációs diagramról leolvassuk a szerves oldószeres fázis ötszörösére hígított jódkoncentrációját (cI,kal). Ennek figyelembevételével, valamint a kísérlet kezdetén a vizes fázissal bevitt összes jód mennyiségének (0,005 mol/dm3) ismeretében kiszámítható az egyensúlyi jódkoncentráció mind a szerves oldószeres, mind a vizes fázisban.
3
Név: ....................................... Tcs: ......... Dátum: ..................................................... OLDOTT ANYAG MEGOSZLÁSI EGYENSÚLYÁNAK VIZSGÁLATA Észlelési- és eredménylap 1. KISÉRLETI ADATOK A kísérlet hőmérséklete: ............................. oC A bemért jódoldat koncentrációja: ............. mol/dm3,
térfogata: ............ cm3 faktora: ..............
A szerves oldószer: ……………………..………. A bemért szerves oldószer térfogata: ................... cm3 2. A CCl4-OS JÓDOLDAT ABSZORPCIÓS GÖRBÉJÉNEK FELVÉTELE Színszűrő jele /abszorbancia maximuma/ , nm
Jódkoncentráció cI 3 mol/dm
Rétegvastagság l cm
Transzmittancia T %
Abszorbancia A
dm3 mol.cm
3. A KALIBRÁCIÓS GÖRBE FELVÉTELE Hullámhossz, λ = .......…... nm Jódkoncentráció cI mol/dm3
Rétegvas-tagság l cm
Transzmittancia T %
4
Abszorban-cia A
Dekadikus abszorpciós együttható -1 a, cm
4. SZÁMÍTÁSOK Az egyensúlyi jódkoncentrációk számítása: A szerves fázisban:
c Iszerves 5 c I ,kal =.......................................... mol/dm3
A vizes fázisban:
c IH 2O 0,005 5 c I ,kal .............................. mol/dm3
A megoszlási egyensúlyi állandó:
cIszerves Kc = H 2 O = cI
Melléklet:
T = f() diagram a = f(cI) diagram
5
