Dobór rozpuszczalnika w procesie ekstrakcji ciecz
advertisement
Ćwiczenie nr 2 DOBÓR ROZPUSZCZALNIKA W PROCESIE EKSTRAKCJI CIECZ-CIECZ WPROWADZENIE Jednym ze sposobów rozdziału związków chemicznych jest proces ekstrakcji. Polega ona na przenoszeniu substancji chemicznej rozpuszczonej w jednej fazie ciekłej (najczęściej wodzie) do drugiej, niemieszającej się fazy ciekłej (rozpuszczalnika organicznego). Przeprowadzając proces wielokrotnie można prawie całkowicie usunąć związek ekstrahowany z roztworu wyjściowego. Jeśli do układu dwóch nie mieszających się lub bardzo słabo mieszających się cieczy, tworzących dwie warstwy, doda się pewną ilość substancji trzeciej rozpuszczalnej w obu cieczach, to nastąpi podział tej substancji pomiędzy obie ciecze w taki sposób, że stosunek stężenia w jednym rozpuszczalniku do stężenia w drugim rozpuszczalniku jest wielkością stałą w stałej temperaturze. Podział substancji między dwie fazy jest cechą charakterystyczną dla danego układu rozpuszczalników zależną od temperatury i ciśnienia. Zatem w warunkach równowagi termodynamicznej (stała temperatura i ciśnienie) stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w obu rozpuszczalnikach jest wielkością stałą nazywaną współczynnikiem podziału. K= 𝐶𝑜𝑟𝑔 𝐶𝑤 (1) gdzie: Corg- stężenie substancji w rozpuszczalniku organicznym, Cw-stężenie substancji w wodzie. Zgodnie z powyższą zależnością stężenie substancji w fazie organicznej rośnie liniowo wraz ze wzrostem stężenia tej substancji w fazie wodnej przy założeniu że stała podziału nie zależy od stężenia w obu fazach. Jednakże w wielu przypadkach stężenie substancji rozpuszczonej w fazie organicznej nie zmienia się liniowo. Równanie (1) jest słuszne jedynie w przypadku występowania w obu fazach identycznej postaci związku rozpuszczonego. W praktyce związki organiczne, szczególnie o charakterze kwasowym mogą występować w różnej formie. W zależności od pH roztworu oraz pKa kwasu w roztworze może występować niezdysocjowana bądź anionowa forma związku. W pH<pKa mamy do czynienia ze związkiem kwasowym w postaci niezdysocjowanej, a pH>pKa – zdysocojowanym. W przypadku zasad organicznych gdy pH<pKa mamy do czynienia ze związkiem w postaci protonowanej, pH>pKa – związkiem obojętnym. Dla przykładu w fazie wodnej kwas występować będzie zarówno w formie zdysocjowanej jak i obojętnej. Im większy będzie udział formy zjonizowanej, tym większa ilość cząsteczek kwasu znajdzie się w tej właśnie fazie. Oczywiście, jeżeli pH układu uległoby obniżeniu, to przeważałaby forma obojętna, a poniżej wartości pKa byłaby formą dominującą. W miarę protonowania grupy karboksylowej (obniżania pH) część cząsteczek kwasu przechodzić będzie do fazy organicznej w której obok cząsteczek obojętnych tworzą się asocjaty (cząsteczek mogących tworzyć wiązania wodorowe np. kwasów organicznych). Z kolei w przypadku zasad organicznych przechodzeniu związku z fazy wodnej do 1 organicznej sprzyjać będzie podwyższenie pH, czyli zobojętnianie dodatniego ładunku np. na atomie azotu, zasady organicznej. Zatem prawo podziału wyrażone wzorem (1) spełnione jest gdy: a) składnik którego podział badamy występuje w fazie wodnej i organicznej dokładnie w takiej samej formie. b) weźmie się pod uwagę wszystkie reakcje zachodzące w każdej z faz jak: dysocjację czy asocjację Prowadząc proces ekstrakcji ciecz-ciecz powinno mieć się na uwadze: niewielką wzajemną rozpuszczalność obu faz – ekstrahowanej i ekstrahującej dużą różnicę ciężarów właściwych (gęstości) obu faz- im większa różnica w gęstości między rozpuszczalnikiem a próbką, tym szybsze i dokładniejsze rozdzielenie warstw. Niestety w praktyce niejednokrotnie otrzymuje się ekstrakty mętne, co jest spowodowane tworzeniem się emulsji na granicy faz. Emulsje tworzą się łatwo, gdy ekstrakcji poddaje się roztwór o odczynie zasadowym polarność rozpuszczalników i ekstrahowanego związku - związki organiczne które zbudowane są z są głównie z łańcuchów czy pierścieni węglowodorowych, (nasyconych, nienasyconych, aromatycznych), wykazują charakter lipofilowy (hydrofobowy) rozpuszczają się lepiej w rozpuszczalnikach niepolarnych. Z kolei związki lipofobowe (hydrofilowe) zawierające w swej budowie ugrupowania polarne takie jak grupy hydroksylowe, aminowe, karboksylowe lepiej rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych. Można powiedzieć: „podobne rozpuszcza podobne”. Zatem jeśli chcemy wyekstrahować związek polarny (np. kwas octowy) ekstrakcji sprzyjać będzie dobór rozpuszczalnika bardziej polarnego (np. 1-heptanol). Z kolei w przypadku związku takiego jak np. benzen ekstrakcji sprzyjać będzie dobór rozpuszczalnika o niskiej polarności (np. heksan) CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wykazanie jak polarność ekstrahenta wpływa na wartość współczynnika podziału kwasu octowego między fazę wodną a wybranych rozpuszczalników organicznych. ZAKRES WYMAGANYCH WIADOMOŚCI Definicja współczynnika podziału Od czego zależy wartość współczynnika podziału Praktyczne znaczenie współczynnika podziału 2 ODCZYNNIKI I APARATURA rozpuszczalniki: 1-oktanol, 1-heksanol, chlorek metylenu, chloroform, heksan 2M CH3COOH 0,1M NaOH Fenoloftaleina Spektrofotometr UV-Vis z kuwetami 10mm SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA Przygotować roztwór 2M kwasu octowego w wodzie, wiedząc ze jego gęstość wynosi 1. 1,049g/ml. W obliczeniach przyjąć stężenie kwasu 100%. M=60g/mol Do rozdzielaczy wprowadzić po 25ml badanych rozpuszczalników, następnie po 25ml 2. przygotowanego kwasu octowego 3. Wytrząsać przez okres 15min, po tym czasie pozostawić układ w celu rozdziału faz 4. W przypadku CHCl3 oraz CH2Cl2 pobrać górną warstwę wodną i przenieść do zlewek oznaczonych CHCl3 oraz CH2Cl2 . W przypadku 1-oktanolu, heksanu oraz 1-heksanolu pobrać warstwę dolną oraz przenieść do zlewek Wyznaczyć stężenie kwasu octowego w przygotowanym roztworze wyjściowym oraz 5. pobranych próbkach roztworów wodnych. W tym celu pobrać 1ml roztworu i przenieść do kolbki dodać 2krople fenoloftaleiny, miareczkować za pomocą 0,1M NaOH do zmiany zabarwienia na malinowe. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wyznaczyć rzeczywiste stężenie przygotowanego roztworu kwasu octowego 2. Obliczyć stężenia pozostałego w wodzie kwasu octowego w roztworach otrzymanych po wytrząsaniu z badanymi rozpuszczalnikami. 3. Obliczyć stężenie kwasu w fazach organicznych jako różnicę wyjściowego (przygotowanego) stężenia kwasu octowego oraz pozostałego wyznaczonego stężenia kwasu w fazie wodnej 4. Obliczyć współczynnik podziału, jako stosunek stężenia kwasu octowego w fazie organicznej do stężenia kwasu octowego w warstwie wodnej dla poszczególnych roztworów. 5. Obliczyć ile procent kwasu octowego wyekstrahowało się do ekstrahentów. 6. Wyniki umieścić w tabeli: 3 Momet Rozpuszczalnik dipolowy [D] woda 1,85 Kwas octowy 1,74 1-oktanol 1-heksanol 1,76 Chlorek metylenu Chloroform 1,6 1,04 heksan 0,08 NaOH [ml] ------ Stężenie kwasu [mol/l] --------- Współczynnik Wyekstrahowany podziału kwas [%] --------- ---- ------- --- 1,55 7. Wiedząc że kwas octowy jest związkiem polarnym, a do ekstrakcji wykorzystuje się rozpuszczalniki o różnej polarności wyciągnąć wnioski na temat wpływu polarności rozpuszczalnika na proces ekstrakcji. 4
