Fordelingsligevægt i et Tofasesystem - Rapport i Kemi

Side 1

Fordelingsligevægt i et tofasesystem

50

40

30

20

10

0

Stivelsesopløsning

Mættet I_{2} (aq)-opløsning

Na_{2} S_{2} O_{3} -opløsning

1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

1

10

11

Side 2

Side 2 af 5

Forsøgets formål:

At bestemme ligevægtskonstanten K for fordelingsligevægten mellem I (aq) og I (heptan).

2 2

Teori:

Iod, I, er upolært og derved tungt opløseligt i vand (0,029 %), da vand er polært. Derimod er I

2 2 letopløseligt i mange organiske upolære væsker som eksempelvis heptan, C H. Dette skyldes at

7 16 upolære stoffer er mere opløselige i upolære opløsningsmidler end i polære. Ved udrystning af en mættet vandig opløsning af iod med heptan, vil der indstille sig følgende ligevægt

I (aq) I (heptan) med ligevægtskonstanten K^{hepI}_{aqI}^{tan)(}_{)(} =.

2 2 c

[ ]_{2}
[ ]_{2}

Opløses iod i en organisk upolær væske, bliver denne violet hvis ioden blandes med de organiske molekyler. Dette sker ved udrystningen med heptan.

Reaktionen er en reversibel reaktion, dvs. reaktionen kan forløbe i begge retninger. Et reversibelt system er et system, hvor en reversibel reaktion foregår, dvs. et kemisk ligevægtssystem.

En kemisk ligevægt er en tilstand i et lukket system, hvor to reciprokke reaktioner foregår i lige høj grad, dvs. med samme reaktionshastighed, så systemets kemiske sammensætning ikke ændres. Man kan lave indgreb i ligevægten ved f.eks. at lave stofudveksling eller trykændring, herved vil ligevægten forskydes, så den bevarer værdien for ligevægtskonstanten.

Der kan opstilles en reaktionsbrøk, kaldet Y, for alle ligevægtsreaktioner. Reaktionen mellem I (aq)

2 og I (heptan) er en heterogen ligevægt, da de er på forskellige faser. Reaktionsbrøken for reaktionen

2

           hepI
lyder Y=          , hvor der ved ligevægt gælder Y=K .

[ ]_{2} tan)(
[ ]_{2} aqI)(

c

Ligevægtskonstanten siger noget om i hvor høj grad en reaktion forløber. Er ligevægtskonstanten K større end reaktionsbrøken Y, har ligevægten ikke indstillet sig endnu, og reaktionen forskydes c mod højre, for at få Y til at nærme sig K c

. Er reaktionsbrøken derimod større end ligevægtskonstanten, forskydes reaktionen mod venstre. Når Y er lig med K har ligevægten c indstillet sig, og reaktionen forløber lige hurtigt begge veje.

Hvis ligevægtskonstanten har en værdi på over 1, betyder det, at reaktionen er forskudt mod højre, dvs. ligevægten har indstillet sig, men der er mere på højresiden end på venstresiden. Har ligevægtskonstanten derimod en værdi på under 1, er reaktionen forskudt mod venstre.

Der laves to titreringer for at finde koncentrationen af diiod i vandig opløsning og i heptan. Til en titrering skal der bruges en titrator, en titrand og en indikator. I begge titreringer bruges

natriumthiosulfat-opløsning, OSa_{322} ( ) aqN -opløsning, som titrator og en stivelsesopløsning som

indikator. Det er dog to forskellige titrander der bruges, i den første titrering bruges en mættet I

2

(aq)-opløsning, mens det i titrering to er en svag opløsning af diiod i vand. Titratoren er det stof, der er i buretten, dvs. stoffet der tilsættes, mens titranden er det stof, der er i kolben altså den afmålte prøve. Indikatoren er et stof der skifter farve ved ækvivalenspunktet, dvs. det punkt hvor der er ækvivalente mængder af reaktanterne, når alt stoffet i den afmålte prøve har reageret.

Ekstraktion er en form for udtrækning, hvor man fjerner et stof fra en blanding ved brug af passende opløsningsmiddel. I dette forsøg er blandingen mættet I (aq)-opløsning, opløsningsmidlet er

2 heptan, og det stof vi ønsker at fjerne fra den mættede opløsning er diiod. Dette er en særlig form

Side 3

Side 3 af 5 for ekstraktion kaldet væske-væske-ekstraktion, hvor to ikke-blandbare væsker rystes sammen i en skilletragt, hvorved et opløst stof, i dette tilfælde diiod, overføres fra den ene til den anden. [1]

Iod opløst i vand giver en hvid-grumset væske, ved at tilsætte sulfationer reduceres I (aq) til I^{-} (aq),

2

                                                   2
som er farveløse. Iodidioner giver med stivelses en blålig farve.
                         -

I (aq) + 2 S O^{2-} (aq) 2 I (aq) + S O^{2-} (aq)

2 2 3 4 6

Når al ioden er reduceret til iodid, er væsken klart med et blåligt skær, her er ækvivalenspunktet nået.

Da koncentrationen af sulfationerne, og forholdet mellem sulfationerne og ioden kendes, kan koncentrationen af iod i vand udregnes.

Ved herefter at gøre det samme efter udrystning med heptan, vides det hvor meget iod, der er tilbage i vandet, og derved kan koncentrationen af iod i heptan udregnes. (Se beregninger) Når de to koncentrationer kendes, kan den ønskede ligevægtskonstant udregnes.

Materialer:

• Skilletragt

• Burette

• Magnetomrører m/ magnet

• 5 og 25 mL fuldpipetter

• 100 mL målekolbe

• 50 mL måleglas

• 100 mL konisk kolbe

• 50 mL bægerglas

Kemikalier:

• Mættet I (aq) 2 – opløsning

• Heptan

• 0,100 M Na S O (aq)

2 2 3

• Friskfremstillet stivelsesopløsning

Fremgangsmåde:

• 100,0 mL 0,005 M Na

2 2 3 2 2 3

S

O

-opløsning fremstilles ud fra den udleverede 0,100 M Na

S

O

- opløsning ved brug af fuldpipette og målekolbe.

• Den fremstillede natriumthiosulfat-opløsning hældes på buretten og benyttes som titrator.

• Med fuldpipette overføres 25,0 mL af den mættede I

2

(aq) -opløsning til en konisk kolbe.

• Der tilsættes 4-5 dråber stivelsesopløsning som indikator og titreres med 0,005 M

Na S O -opløsning til ækvivalenspunktet (farveomslag blå-farveløs).

2 2 3

• Med måleglas afmåles 30,0 mL af den mættede I

2

(aq) -opløsning, der overføres til en skilletragt.

• Der tilsættes 30,0 mL heptan afmålt med måleglas.

• Skilletragten forsynes med prop og vendes forsigtigt flere gange, så der sker en omhyggelig sammenblanding af de to faser.

• Efter at de to faser igen er adskilt, tappes vandfasen ned i et tørt bægerglas.

1

Håndbog i kemiske fagtermer: Ekstraktion

2

Håndbog i kemiske fagtermer: Iod

Side 4

Side 4 af 5

• Med fuldpipette overføres 25,0 mL af denne vandfase til en konisk kolbe, der tilsættes ca. 5 dråber stivelsesopløsning som indikator og titreres som før med 0,005 M Na S O -

2 2 3 opløsning.

• Efter forsøget skal heptanfasen hældes i affaldsbeholderen med ”flydende organisk affald” Resultater:

Skema over forbrugt volumen 0,005 M Na S O ved de to titreringer:

2 2 3

Forbrugt volumen 0,005 M Na S O

2 2 3

Første titrering: 11,2 mL

Anden titrering: 0,15 mL

Beregninger:

Udregning af iodkoncentrationen i vandfasen før udrystning:

                       2-                     2-
I           (aq) + 2 S O (aq) 2 I    (aq) + S O (aq)
                            -3

2 2 3 4 6

-

V/ liter: 25,0∙10^{-3} 11,2∙10
c/ molær: 1,12 ∙10^{-3} 0,005
n/ mol: 2,8∙10^{-5} 5,6∙10^{-5}

      1
             2-
n (I ) = n(S O )
      2

2 2 3

Udregning af iodkoncentrationen i vandfasen efter udrystning:

                       2-                     2-
I           (aq) + 2 S O (aq) 2 I    (aq) + S O (aq)
                            .-3

2 2 3 4 6

-

V/ liter: 25,0∙10^{-3} 0,15∙10
c/ molær: 1,50 ∙10^{-5} 0,005
n/ mol: 3,75∙10^{-7} 7,5∙10^{-7}

Da voluminet af I (aq)– opløsning og heptan er den samme i titrering nummer 2, kan

2 koncentrationen af I efter udrystning trækkes fra koncentrationen af I før udrystning med heptan,

2 2 for derved at finde koncentrationen af I i heptan:

2

                        −− 53      -3
[ ]                   ⋅−⋅= 105,11012,1tan)( MMhepI = 1,11 ∙ 10 M
 2

Ligevægtskonstanten K for fordelingsligevægten mellem I (heptan) og I (aq): c 2 2

K = 74

c

                − 3
[ ] hepI tan)( ⋅ 1011,1 M
 2
         =         =

              − 5
[ ] aqI )(  ⋅ 1050,1 M
 2

Fejlkilder:

• Overtitrering

• Måleusikkerheder:

o Vigtigste: Burette^{+}_{−} mL045,0

Diskussion:

Inden forsøgets start kunne man se på reaktionen, og komme med et gæt på hvad K ville være. Det c vides, at iod er upolært, og det samme gælder heptan, mens vand derimod er polært. Dette betyder,

Side 5

Side 5 af 5 at iod kan opløses mere i heptan end i vand. Da vi har reaktionen I (aq) I (heptan) med

2 2

ligevægtskonstanten K^{hepI} =, hvor vi har koncentrationen af iod i heptan i tælleren,

c

[ ]_{2} tan)(
[ ]_{2} aqI)(

betyder det, at vi forventer en K c på over en. Vi forventer også, at den er et pænt stykke over en, da der ikke kun kan opløses lidt mere i heptan, men en hel del mere, da iod og heptan begge er upolære. Den fundne værdi af K c er 74, dette passer umiddelbart godt med forventningerne, men pga. af måleusikkerheder og evt. overtitrering, er det langt fra sikkert, at det er den rigtige værdi af K. Da vi i anden titrering kun brugte et volumen på 0,15 mL, kan det gøre en stor forskel med en c lille overtitrering eller måleusikkerheden på buretten. Måleusikkerheden på buretten er på mL045,0

+

−

, så hvis der er 0,045 mL mindre Na

2 2 3 c

S

O i begge titreringer, giver det en K på 105 i stedet for 74, dette er en afvigelse på ca. 42 % fra vores oprindeligt opnåede K. Var der derimod c

0,045 mL mere Na

2 2 3 c

S

O i begge titreringer, giver det en K på 56 i stedet for 74, dette er en afvigelse på ca. 25 %. Hvis der oven i det blev overtitreret med bare én dråbe på ca. 0,04 mL, resulterer det i en K c på 46, hvilket er en afvigelse på 38 %.

Grundet disse fejlkilder og de store afvigelser, er det svært at bestemme den præcise værdi af K ud c fra dette forsøg, men den ligger i intervallet mellem 46-105, hvilket stadig passer fint med forventningen om, at heptan opløses meget mere i heptan end i vand.

Konklusion:

Ved to titreringer af først iod i vand og derefter iod i vand efter at noget af ioden var blevet ekstraheret over i heptanen, fandt vi ligevægtskonstanten K for forligevægten mellem I (aq) og c 2

I (heptan). Den fundne værdi af ligevægtskonstanten er 74, men grundet måleusikkerheder og evt.

2 overtitrering, kan denne værdi svinge fra 46 til 105. Værdien for ligevægtskonstanten kan derfor ikke entydigt bruges, men den kan bruges til at påvise, at ioden opløses meget bedre i heptan end i vand.