Doświadczalne wyznaczanie współczynnika podziału kwasu octowego.

1. Doświadczalne wyznaczanie współczynnika podziału kwasu octowego. Asocjacja kwasu octowego w butanolu. Klaudia Laks, Julia Giełdon mgr Anna Rygielska, mgr Małgorzata Augustynowicz-Kłyszewska Zespół Szkół UMK Gimnazjum i Liceum Akademickie, Toruń Kwas octowy (kwas etanowy) to substancja od lat znana człowiekowi. Stosowany jest do marynowania i konserwowania. Powstaje naturalnie w ludzkim organizmie w procesie spalania alkoholu etylowego. Zarówno kwas jak i jego pochodne są szeroko stosowane w syntezie organicznej czy w przemyśle m.in do produkcji sztucznego jedwabiu czy aspiryny. Kwas octowy, jako cząsteczka polarna, dimeryzuje. Ujemnie naładowane atomy tlenu przyciągają dodatnio naładowane atomy wodoru. Odziaływania te są wyjątkowo silne w rozpuszczalnikach niepolarnych, np. butanolu, którego użyłyśmy. W wodzie asocjacja nie zachodzi, ponieważ wiązania kwas-woda są silniejsze, niż te kwas-kwas. W zastosowanym przez nas rozdzielaniu ekstrakcyjnym wykorzystuje się różną rozpuszczalność substancji w dwóch, nie mieszających się ze sobą, ciekłych rozpuszczalnikach. Stosunek stężeń tej substancji w obydwu fazach zwany jest stałą podziału Nernsta i jest dostępny w tablicach, jednak postanowiłyśmy wyznaczyć go doświadczalnie. [3] Do rozdzielacza dodałyśmy równe ilości butanolu oraz roztworu wodnego kwasu octowego o określonym wcześniej stężeniu. Po kilkuminutowym wytrząsaniu i ponownym ustaleniu się granicy cieczy, zlałyśmy dolną warstwę, czyli wodę oraz rozpuszczoną w niej część kwasu octowego. Przy pomocy miareczkowania mianowanym roztworem zasady sodowej, obliczyłyśmy całkowite stężenie kwasu octowego w fazie wodnej. Przekształcając wzór podany obok (gdzie Cb to całkowite stężenie kwasu octowego w fazie organicznej, a Cw– w fazie wodnej) doszłyśmy do wniosku, że log Cw=f(Cb) jest funkcją liniową. Korzystając z wykresu tej funkcji i arkusza kalkulacyjnego, wyznaczyłyśmy współczynnik kierunkowy prostej (odwrotność liczby zasocjowanych cząsteczek - n) oraz wyraz wolny (współczynnik podziału - k) . Obliczenia i wyniki Aby wyznaczyć stałą podziału zlogarytmowałyśmy powyższy wzór i przekształciłyśmy do postaci: Za pomocą miareczkowania wyznaczyłyśmy stężenie w fazie wodnej, a następnie obliczyłyśmy stężenie całkowite formy zasocjowanej i niezasocjowanej w fazie organicznej. Kolejno zlogarytmowałyśmy wyniki, które podano w tabeli poniżej. Następnie używając arkusza kalkulacyjnego Exel uzyskałyśmy wykres funkcji oraz jej wzór. Wzórfunkcji: Znając współczynnik podziału możemy obliczyć stężenie niezasocjowanej formy kwasu octowego, definiujemy współczynnik podziału, gdzie Cb1 oznacza stężenie formy niezasocjowanej w fazie organicznej, a Cw stężenie w fazie wodnej. Podstawiamy dane do wzoru by sprawdzić jego poprawność. Różnice są niewielkie, więc biorąc pod uwagę możliwe błędy pomiaru itp. możemy uznać wzór za prawidłowy. Ze wzoru możemy wyznaczyć K=10-0,1452oraz n=1/0,8337 . Uzyskujemy wyniki: P= 0,715319 i n= 1,199472. Wnioski i zastosowania Umiejętność wyznaczania współczynnika podziału jest przydatna nie tylko w zadaniach olimpijskich czy w zadaniach z Politechniki Warszawskiej, choć problem ten bywa poruszany na tego typu konkursach (np. zadanie 3 z finału 55 Olimpiady Chemicznej). Znając współczynnik podziału danej substancji możemy określić jego tendencje do gromadzenia się w organizmie. Ma to kluczowe znaczenie zwłaszcza dla związków toksycznych. Wyznaczona eksperymentalnie średnia liczba cząsteczek w asocjatach wskazuje na dominację formy niezasocjowanej, potwierdzają to także powyższe obliczenia. Ponadto stosunek formy niezasocjowanej do stężenia całkowitego w fazie organicznej jest stały, możemy więc stwierdzić, że asocjacja nie zależy od stężenia.