Laboratorio 9. Equilibrio de distribución de un soluto en solventes

Laboratorio 9.
Equilibrio de distribución de un soluto en solventes
inmiscibles
Objetivo
Determinar el coeficiente de distribución de ácido acético en el
sistema
agua/cloroformo y agua/éter. Además, se determinará la eficiencia de extracción
y el número de moléculas del soluto que se asocia a la fase orgánica.
Introducción
Si suponemos que dos solventes A y B son parcialmente miscibles a
temperatura T y forman las fases  (una solución diluida de B en el solvente A) y
 (una solución diluida de A en el solvente B) cuando se agitan a la temperatura
T. Si adicionamos el soluto i al sistema, este se distribuirá entre ambas fases,
así se satisface la siguiente condición de equilibrio:
Potencial químico del soluto i en fase acuosa ( i )=Potencial químico de i en fase orgánica ( i )
 i =  i
( 9-1)
Los potenciales químicos se pueden expresar en términos de concentraciones
molares como sigue:
 c 
i   0c ,i  RT ln  c ,i0 i 
 c 
Donde:
ci coeficiente de actividad de la especie i
µocipotencial químico estándar de la especie i
1
( 9-2)
Ci concentración de I en la fase α.
i  Potencial químico de la especie j
C0  es la concentración inicial de la especie i
Como los potenciales químicos son iguales en ambas fases, de acuerdo a la
ecuación

0,
(
9-2),
la
   c,i c i
c ,i  RT ln 
 c0

ecuación
(9-1)
se

   c ,i c  i
0, 
   c,i  RT ln 
0

 c
puede
escribir
como:

 ( 9-3)

La ecuación (3) se convierte en,
   c ,i c i 
 (  0, c,i   0,  c ,i ) 
ln       
 (9-4)
RT


  c ,i c i 
K AB,i

  (  0, c ,i   0,  c,i )  
c  i  c ,i
    exp   
 
c i  c ,i
RT
 
 
La cantidad K AB,i
( 9-5)
c i
 
c i
( 9-6)
es el coeficiente de reparto (“patition coeficeint”) o coeficiente de distribución)
para el soluto i en el solvente A y B.
K AB ,i no es exactamente igual a la relación de las solubilidades de i en A y B,
porque las fases  y  no son puramente A o puramente B. El exponencial en la
ecuación ( 9-5) es una función de T y débilmente una función de P.
Como las cantidades de i en las fases  y  cambian, la relación de los
coeficientes de actividad en la ecuación (9-5) cambian, y las concentraciones de
B en la fase  y A en la fase  también cambian. Por lo tanto K AB ,i depende de
cuanta cantidad de i se añade al sistema y no es verdaderamente constante
2
cuando la temperatura y la presión están fijas, a menos que  y 
sean
idealmente soluciones diluidas.
El coeficiente de distribución, Kc, como:
Kc 
ci , 
(6)
ci ,
log KC = log C i – n log Ci
( 9-7)
( 9-8)
Si se estudia la distribución de un soluto A entre una fase orgánica  y una fase
acuosa , el soluto se asociará para formar un n-monómero en la fase orgánica
de acuerdo a la reacción:
nA  An
Puede ser demostrado de la misma manera que para cualquier mezcla:
KC 
c i
c 

n
i
Si la asociación no es completa, el valor de n no será un entero y puede variar
como función de la concentración. Y se puede asumir de estas relaciones de la
Ley de Distribución que es más eficiente hacer varias extracciones con menos
volumen, que una sola extracción con el volumen total utilizado para las
extracciones “pequeñas”. Si se estudia la distribución de un soluto A entre una
fase orgánica  y una fase acuosa , el soluto se asociará para formar un nmonómero en la fase orgánica de acuerdo a la reacción:
3
nA  An
Puede ser demostrado de la misma manera que para cualquier mezcla:
KC 
c i
c 

n
i
Si la asociación no es completa, el valor de n no será un entero y puede variar
como función de la concentración. Y se puede asumir de estas relaciones de la
Ley de Distribución que es más eficiente hacer varias extracciones con menos
volumen, que una sola extracción con el volumen total utilizado para las
extracciones “pequeñas”.
Procedimiento
Nota: Todos los pasos referentes a la utilización de eter
se realizarán dentro del extractor.
1. Se estandarizá una solución de NaOH  0.5M utilizando una solución de HCl
de concentración conocida. Esta solución fue previamente estandarizada. Al
menos tres réplicas se tienen que realizar.
a. Determine la concentración real del hidróxido de sodio utilizando la siguiente
ecuación estequiometrica
NaOH(aq) + HCl  NaCl + H2O(l)
2.
En
el
laboratorio
encontrara
soluciones
de
acido
acético
cuatro
concentraciones molares: 0.5, 0.75, 1.0 y 2.0 M. Agregar 15 mL de cada
solución en un embudo de separación, como se muestra en la Figura 1.
4
0.5 M
1.0 M
0. 75 M
2.0 M
Figure 9-1. Diagrama para la separación
2. Agregar 15.0 mL de éter a cada embudo de separación.
3. Cerrar los embudos.
a. Antes de la agitación vigorosa agitamos levemente 2 veces el
embudo.
b. Tapando con dos dedos el tapón del embudo, y con la punta
apuntando hacia el extractor y hacia arriba abrimos la válvula para
liberar gas. Repetimos este procedimiento 2 veces más (tres en
total).
4. Agitar cuidadosamente y vigorosamente por lo menos 2 minutos cada una
de las muestras. Esperar 15-20 minutos para que las soluciones alcancen
en el equilibrio.
5
5. Decantar las capas inferiores (fase acuosa) por la parte de abajo del
embudo en vasos separados teniendo en cuenta de no dejar pasar capa
superior.
Nota: Para descargar el embudo de separación tiene que quitarle el
tapón. De lo contrario no se vaciará.
6. Tomar una alícuota de 5.0 mL de cada una de las capas inferiores (fase
acuosa) y depositarlas en un matraz Erlenmayer de 50 mL.
7. Titular todas las fases acuosas con hidróxido de sodio 0.5 M previamente
valorado, utilizando fenolftaleína como indicador.
8. Decante las capas superiores (fase organica) en vasos separados y tome
una alícuota de 10.0 mL y deposítelas en matraz Erlenmeyer diferentes
de 50 mL. Agregar igual volumen de agua a cada matraz Erlenmayer para
garantizar que toda la fase orgánica se transfiera al agua y agite
fuertemente.
9. Titular todas las fases orgánicas con NaOH 0.5 M.
Cálculos
1. Determine la concentración real del NaOH utilizando la siguiente relación:
3. Determine los coeficientes de Distribución suponiendo que el orden de
asociación es uno.
4. Calcule el promedio
5. Graficar log [Cβi ]org vs. log [Cαi ]ac y hacer una regresión lineal para obtener n
y Kc. Utilice la ecuación (9-8). Que puede usted decir valor del grado de
asociación que asumió?
6. Compare sus resultados con los reportados en la literatura.
7. Discuta
6
7.1 Cómo varía el coeficiente de distribución con la concentración inicial del
soluto
7.2 Qué implicaciones tiene el valor de n obtenido, cómo influye la naturaleza de
los solventes y el soluto en el valor del coeficiente de distribución?
7.3 Cómo se pueden utilizar los valores de Kc para seleccionar los solventes
para una separación?
7.4
Utilice los siguientes datos de la Tabla 1 para cloroformo y repita los
cálculos 1-6. Compare sus resultados con los de éter. Discuta en términos de
constantes dielectricas y polaridad.
Tabla 1. Datos para el sistema de cloroformo
Concentración
Inicial de la
Titulación de 2.00mL de la fase
Titulación de 10.00mL de la
soln. de ácido
acuosa
fase orgánica
acético
Vi
Vf
(mL)
(mL)
0.5
8.25
17.70
0.75
Vi
Vf
(mL)
(mL)
9.35
5.65
8.25
2.60
17.60 31.70
14.10
7.70 11.10
3.40
1.0
0.00
24.40
24.40
0.00
5.65
5.65
2.0
11.20 50.00
51.70
0.00
7.70
7.70
0.50
Vdescargado(mL)
13.40
MNaOH = 0.04782 M
7
Vdescargado(mL)
Referencias
Atkins, P., Physical Chemistry. 5Th ed. C8-C14. Freeman, New York. 1994
Castellan, G., Fisicoquímica. 2nd ed. 140-141. Addison Wesley. N.Y. 1971.
CRC Handbook of Chemistry and Physics. 58Th ed. Weast, Robert ed. CRC
Press. West Palm Beach, 1978.
Daniels, F. et.al, Experimental Physical Chemistry. 7Th ed. 18-21. McGraw Hill,
New York. 1971
Levine, Ira N. Physical Chemistry. Fifth edition. Mc Graw Hill. Boston, USA 2002.
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