Robert Maniura

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 23: Wyznaczanie stopnia asocjacji kwasu octowego w rozpuszczalniku organicznym.

1. Wstęp teoretyczny:

Asocjacja jest to łączenie się cząsteczek tego samego związku w kilkucząsteczkowe ugrupowania. Asocjacja dotyczy takich cieczy, w których występują wiązania wodorowe, np. woda, alkohole, kwasy, aminy. Wiązanie wodorowe polega na tym, że atom wodoru związany chemicznie z atomem pierwiastka silnie elektroujemnego (np. tlen, azot, fluor) przyciąga siłami elektrostatycznymi elektrony należące do atomu również silnie elektroujemnego, ale wchodzącego w skład innej cząsteczki. Wiązanie wodorowe jest główną przyczyną asocjacji w roztworach i czystych cieczach. Powstają wówczas łańcuchy, pierścienie i inne struktury trójwymiarowe. Wiązanie wodorowe jest znacznie słabsze niż wiązania chemiczne. Asocjacja ma wpływ na właściwości fizyczne substancji. Powoduje np. podwyższenie temperatury wrzenia i topnienia. Woda ma znacznie wyższą temperaturę topnienia i wrzenia niż siarkowodór, podobnie amoniak i fosforowodór. Do rozerwania wiązań wodorowych konieczna jest znaczna energia. W cieczach zasocjowanych anomalnie zachowuje się gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe, przenikalność elektryczna. Asocjacja prowadzi do wzrostu średniej efektywnej masy cząsteczkowej, przewodnictwa cieplnego, zmniejszenia samodyfuzji i rozszerzalności cieplnej.

Stopień asocjacji kwasu octowego w rozpuszczalniku organicznym wyznaczam metodą kriometryczną. Po dodaniu do czystego rozpuszczalnika kwasu octowego nastąpi obniżenie temperatury krzepnięcia takiego roztworu w stosunku do czystego rozpuszczalnika. Obniżenie temperatury krzepnięcia jest proporcjonalne do stężenia substancji w roztworze. W przypadku cieczy zasocjowanych obserwuje się mniejsze obniżenie temperatury krzepnięcia niż wynikałoby to z obliczeń. Asocjacja powoduje wzrost średniej efektywnej masy cząsteczkowej. Efektywne stężenie substancji w roztworze jest mniejsze w porównaniu z wprowadzoną ilością substancji.

Pomiar kriometryczny przeprowadziłem w kalorymetrze wypełnionym lodem. Najpierw zmierzyłem temperaturę krzepnięcia czystego rozpuszczalnika do momentu ustalenia się wskazań miernika. Następnie w podobny sposób zmierzyłem temperaturę krzepnięcia kilku roztworów kwasu octowego w benzenie.

2. Opracowanie wyników:

Pomiar temperatury dokonuję za pomocą termistora. Na mierniku odczytuję opór w kW, następnie korzystam z równania termistora. Równanie termistora jest następujące:

z równania termistora można obliczyć temperaturę krzepnięcia rozpuszczalnika i roztworów (
= -9,9301 Ⴑ 0,1125; b = -3970,340 Ⴑ 32,257):

Ze zmierzonego oporu wyznaczam wykresy zależności temperatury oziębiania roztworów od czasu. Z wykreślonych roztworów wyznaczam temperaturę krzepnięcia poszczególnych roztworów:

• temperatura krzepnięcia czystego rozpuszczalnika (50ml benzenu) wynosi: T_krz. = 280,3 K.

• temperatura krzepnięcia roztworu I (50ml benzenu + 1 ml kwasu octowego) wynosi: T_krz.(I) = 279,2 K.

• temperatura krzepnięcia roztworu II (50ml benzenu + 1,5ml kwasu octowego) wynosi: T_krz.(II) = 278,7 K.

• temperatura krzepnięcia roztworu III (50ml benzenu + 2ml kwasu octowego) wynosi: T_krz.(III) = 278,4 K.

Obliczam obniżenie temperatury krzepnięcia dla badanych roztworów:

gdzie: T - obniżenie temperatury krzepnięcia; T_b - temperatura krzepnięcia rozpuszczalnika; T_r - temperatura krzepnięcia odpowiedniego roztworu.

Molarność roztworu obliczam z następującej zależności:

gdzie: m - molarność roztworu; T - obniżenie temperatury krzepnięcia; K_K - stała krioskopowa wynosząca dla benzenu 5,4 [K*kg/mol].

Znając molarność można obliczyć masę molową kwasu w roztworze. Liczba moli:

gdzie: m - molarność roztworu; n - liczba moli; m_rozp - masa rozpuszczalnika w [kg].

Pamiętając o zależnościach:

gdzie: m_s - masa substancji; M - masa molowa substacji; oraz

Średnią masę molową kwasu octowego w odpowiednim roztworze obliczam na podstawie zależności:

gdzie: s i rozp oznaczają substancję i rozpuszczalnik.

Stopień asocjacji:

gdzie: b - stopień asocjacji;
- średnia masa molowa; M - masa molowa kwasu (tablicowa), 60 [g/mol].

Znając odpowiednie dane: d_s = 1,0498 [g/cm³]; d_rozp = 0,878*10^-3 [kg/cm³];

L.p.	Badany roztwór	Obliczone T [K]	Molarność roztworu	Średnia masa molowa	Stopień asocjacji b
1	Roztwór 1,0 ml kwasu octowego w 50 ml benzenu	1,1	0,2037	117,39	1,96
2	Roztwór 1,5 ml kwasu octowego w 50 ml benzenu	1,6	0,2963	121,06	2,02
3	Roztwór 2,0 ml kwasu octowego w 50 ml benzenu	1,9	0,3518	135,95	2,27

3. Wnioski:

Otrzymane wartości stopnia asocjacji kwasu octowego świadczą o tym, że cząsteczki kwasu octowego są zasocjowane, nie można określić jednak w jak dużym stopniu. Stopień asosjacji rośnie wraz ze wzrostem stężenia. Wiązania wodorowe powodują łączenie się cząsteczek kwasu octowego w większe ugrupowania.

2