PC24 - Hochschule Emden/Leer

Hochschule
Emden / Leer
Gleichgewichte:
Physikalische Chemie
Praktikum
Vers. Nr. 24
April 2011
Nernstscher Verteilungssatz für J2 in CH2Cl2
und H2O
Allgemeine Grundlagen:
Thermodynamische Formulierung von chemischen Gleichgewichten, MWG,
Löslichkeitsprodukt, Phasengesetze, Nernstscher Verteilungssatz
Grundlagen zum Versuch:
Löst sich ein Stoff in zwei praktisch nicht mischbaren Lösungsmitteln (Nernstscher Verteilungssatz), so verteilt sich dieser entsprechend seiner Löslichkeit in den einzelnen Lösungsmitteln. Es
stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht ein. Die Geschwindigkeit
des Übertritts der gelösten Teilchen von einer Phase in die andere
Phase ist in beiden Richtungen gleich groß. Es spielt keine Rolle,
ob der zu lösende Stoff unter Normalbedingungen gasförmig, flüssig
oder fest ist; er darf jedoch die Mischbarkeit der beiden Lösungsmittel untereinander nicht beeinflussen. Die Folge des Verteilungsgleichgewichtes ist es, dass das Verhältnis der Aktivitäten des gelösten Stoffes in den Phasen konstant ist:
a1
KN =
a1 = Aktivität in Phase 1
a2
a2 = Aktivität in Phase 2
Für geringe Konzentrationen des gelösten Stoffes in den beiden Phasen können die Aktivitäten durch die Konzentrationen ersetzt werden.
c
K = 1
c2
Die Verteilung von Jod in einem Zweiphasensystem aus CH2Cl2 und H2O
wird beschrieben durch
J2(H2O)
KN =

[J 2 ]CH 2 Cl2
[J 2 ]H 2 O
J2(CH2Cl2)
(1)
1
Enthält die wässerige Phase zusätzlich Kaliumjodid, so ist für diese Phase folgendes Gleichgewicht mit zu berücksichtigen:
JK =
+

J2
J3-
[J -3]
[J -]  [J 2 ]H 2 O
(2)
Für das Verteilungsgleichgewicht (1) ist nur die Konzentration an J2
maßgebend.
Durch Versuche ohne Kaliumjodidzusatz wird zunächst die Verteilungskonstante KN bestimmt. Anschließend wird der Versuch mit
KJ-Zusatz durchgeführt und in der Weise gewertet, dass aus der experimentell bestimmten Konzentration an J2 in CH2Cl2 die Konzentration des Jods in H2O gemäß (1) berechnet werden kann.
[J 2 ]H 2 O =
1
KN
[J 2 ]CH 2 Cl2
(3)
Durch die Titration mit Natriumthiosulfat in der wässrigen Phase
wird die Summe
[J 2 ]H 2 O + [J -3 ]H 2 O = [J*]
(4)
bestimmt (siehe unten).
Dabei ergibt sich die Konzentration an J3- in der wässrigen Phase zu
[J -3 ]H 2 O = [J*] - [J 2 ]H 2 O
(5)
Die Konzentration an J- errechnet sich mit Hilfe der Elektroneutralitätsbedingungen
[K +] = [J -] + [J -3]
zu
[J -] = [K +] - [J -3]
(6)
Aus den nach (4), (5) und (6) ermittelten Konzentrationen kann die
Massenwirkungskonstante K' berechnet werden.
Aufgabenstellung
1.
2.
Es ist das Verteilungsgleichgewicht von Jod zwischen
Methylenchlorid und Wasser zu bestimmen.
Es ist die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion
J2
+ J-
->
J3-
in der wässrigen Phase zu bestimmen.
2
Versuchsdurchführung
Bestimmung der Jodkonzentration in der wässrigen Phase durch Titration mit 0,05 N Na2S2O3 nach der folgenden Reaktionsgleichung:
J2
+
2 Na2S2O3
->
Na2S4O6
+
gelb
2 NaJ
farblos
bzw.
J3- +
2 Na2S2O3
->
Na2S4O6
+
2 NaJ
+
J-
Liegen J2 und J3- vor, so wird die Summe
[*]
=
[J2]
+
[J3-]
bestimmt.
Am Äquivalenzpunkt gilt somit
n (J2)
+
n (J3-)
=
1/2 n (Na2S2O3)
Bestimmung der Verteilungskoeffizienten:
In eine Stöpselflasche von 250 ml Inhalt werden 20 ml ca. 0,04 M
J2-Lösung in CH2Cl2 mit einer Pipette und 230 ml Wasser mit einem
Messzylinder eingefüllt. Die Stöpselflasche wird in einen Thermostaten (25 °C) gestellt und häufig durchgeschüttelt.
Nach etwa 20 - 30 Minuten wird der Inhalt in einen Scheidetrichter
überführt und die CH2Cl2 -Schicht in einen trockenen Erlenmeyer (100
ml) abgelassen.
Man pipettiert davon 10 ml ab und titriert mit 0,05 M Natriumthiosulfat, unter Zusatz von ca. 1 g festen Kaliumjodids, bis zur Entfärbung beider Schichten. (Häufig durchgeschüttelt !)
Von der wässrigen Schicht misst man 200 ml ab und titriert sie im
Kolben mit 0,05 M Natriumthiosulfat ohne Indikator bis zum Verschwinden der Gelbfärbung (Verbrauch ca. 3 ml, Bürette genau ablesen!). Man berechne die Konzentration an J2 in mol/l für die beiden
Phasen sowie die Verteilungskonstante nach (1). Bei wissenschaftlicher Arbeit wären die Versuche mit anderen Ausgangskonzentrationen
zu wiederholen und die Annahme gleicher Molekülgröße in beiden Phasen zu überprüfen. Im Rahmen des Praktikums wird hierauf jedoch
verzichtet.
3
Bestimmung der Gleichgewichtskonstanten (2)
In 3 Stöpselflaschen zu 250 ml werden je 20 ml 0,04 M J2 -Lösung in
CH2Cl2 pipettiert; weitere Zusätze:
zu 1) 20 ml 0,1 M KJ + 210 ml H2O
zu 2) 50 ml 0,1 M KJ + 180 ml H2O
zu 3) 100 ml 0,1 M KJ + 130 ml H2O
Diese drei Stöpselflaschen werden genau so wie die Stöpselflasche
zur Bestimmung des Verteilungskoeffizienten (temperieren, trennen,
titrieren usw. s.o.) behandelt.
Auswertung :
a)
Berechnung in Tabellenform mit ausführlichen Berechnungsbeispielen :
a = [K+] (Anfangskonzentration an KJ)
V (0,1 M Natriumthiosulfat) für CH2Cl2-Phase
[J2] (CH2Cl2)
[J2] (H2O) nach Gleichung (3)
V (0,1 M Natriumthiosulfat) für H2O-Phase
[J*] (Gesamtkonzentration der H2O-Phase)
[J3-] nach Gl. (5)
[J-] nach Gl. (6)
K' nach Gl. (2)
b)
mol/l
ml
mol/l
mol/l
ml
mol/l
mol/l
mol/l
l/mol
K´= Mittlere K´ ± ΔK´:
i  1 ( K  K i ' ) 2
n
ΔK´ =
n (n  1)
(Standardabweichung)
Zubehör :
2
1
1
2
2
4
1
1
1
Scheidetrichter
Messzylinder
Trichter
Jodzahlkolben
Erlenmeyerkolben
Stopfenflaschen
Thermostat
Bürette
Becherglas
(500 ml)
(250 ml)
(100 ml)
(300 ml)
(300 ml)
Na2S2O3
J2-Lösung in CH2Cl2
KJ fest
KJ-Lsg.
(100 ml)
4
0,05 mol/l
0,04 mol/l
0,1 mol/l