Nernstscher Verteilungssatz

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1 Insttut für Physkalsche Cheme Grundpraktkum 7. NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ Stand 03/11/2006 Nernstscher Vertelungssatz 1. Versuchsplatz Komponenten: - Schedetrchter - Büretten - Rührer - Bechergläser 2. Allgemenes zum Versuch Löst man n zwe mtenander ncht oder nur telwese mschbaren Flüssgketen enen weteren Stoff, so vertelt sch deser auf de beden koexsterenden Phasen. Es entsteht en so genanntes Vertelungsglechgewcht. Vertelungsglechgewchte spelen n der Flüssg/Flüssg Extrakton ene große Rolle. Vertelungkoeffzenten snd weterhn n der Sensork sehr wchtg. In desem Zusammenhang setzt man ene Rehe von verschedenen Polymerflmen dem Analyten aus. Je nach chemscher Natur der Zel-Substanz und des Polymerflms rechert sch de Zelsubstanz verscheden stark n dem betreffenden Flmen an. Be Kenntns des Vertelungskoeffzenten kann man aus der Messung der gequollenen Flmdcke auf de Konzentraton der Zelsubstanz n der Bulk-Phase (Flüssgket oder Gas) schleßen. Ene Telchenart se n beden Phasen (ungestrchene und gestrchene Phase) enthalten. De allgemene Bedngung für das heterogene Glechgewcht unter sothermen (dt = 0) und sobaren (dp = 0) Verhältnssen st en Mnmum der Freen Enthalpe: (1) ( dg) = ( µ dn +µ dn ) pt, Da für den Übergang enes Stoffes aus ener Phase n de andere dn = dn glt, st daher: ( ) µ µ dn = 0 (2) 1

2 Insttut für Physkalsche Cheme Grundpraktkum 7. NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ Stand 03/11/2006 Für den Stoff müssen de chemschen Potentale n beden Phasen daher glech sen: µ =µ (3) Man kann für deal-verdünnte Lösungen anstelle der Aktvtät a de Konzentraton c ensetzen. Somt ergbt sch: 0 c µ ln =µ + RT (4a) 0 c 0 c µ ln =µ + RT (4b) 0 c Dabe snd µ 0 und µ 0 Standardwerte des chemschen Potentals, de abhängg von Druck und Temperatur, be der Standardaktvtät (-konzentraton) von 1 mol L 1 defnert snd und n den beden Phasen für deselbe Telchenart verschedene Werte haben; c st de Molkonzentraton, c 0 de Standardkonzentraton 1 mol L 1. Mt der Abkürzung µ 0 µ 0 = ln k (5) RT folgt mt (3) und (4) der Vertelungssatz von Nernst: c k c = bzw. c = k c (6) k st ene Konstante, de von den betelgten Stoffen, aber ncht deren Konzentratonen abhängt. Se führt den Namen Vertelungskoeffzent. De Substanz vertelt sch be gegebener Temperatur und gegebenem Druck (unabhängg von der Gesamtmenge der betelgten Stoffe) derart auf de beden Phasen, dass das Verhältns der Konzentraton konstant st. Der Nernstsche Vertelungssatz kann auch aus dem Henryschen Gesetz der Gaslöslchket abgeletet werden (sehe Lteraturangaben unter 4). Im durchzuführenden Versuch st de Voraussetzung der deal-verdünnten Lösung näherungswese gegeben. Folgendes st zu beachten: Wasser und Butylacetat (Essgsäurebutylester) blden be 20 C en heterogenes Flüssg / Flüssg Zwephasensystem (sehe Versuch ENTMISCHUNG ) mt folgender Zusammensetzung: wässrge Phase organsche Phase 99,2% H 2 O, 0,8% Butylacetat 1% H 2 O, 99% Butylacetat 2

3 Insttut für Physkalsche Cheme Grundpraktkum 7. NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ Stand 03/11/2006 Betrachtet man das Vertelungsglechgewcht ener schwachen Säure (n desem Fall Essgsäure) zwschen zwe Phasen, so st zu berückschtgen, dass schwache Säuren n basschen Meden telwese dssozeren. Außerdem blden vele schwache Säuren n gerng polaren Lösungsmtteln Assozate. Der Vertelungssatz st jedoch nur auf ene Telchenart anwendbar, de n beden Phasen vorhanden st. Da m vorlegenden System de Konzentraton der Essgsäure n beden Phasen noch groß genug st, kann hre Dssozaton vernachlässgt werden. Außerdem snd Wasser und Butylacetat bede so polar, dass de Assozatbldung ebenfalls vernachlässgt werden kann. 3. Orenteren Se sch über Phasenglechgewchte Gbbs sche Phasenregel Ternäre Mschungen 4. Lteratur Lehrbücher der Physkalschen Cheme spezell: Försterlng H.-D., Kuhn H.: Praxs der Physkalschen Cheme", 2. & 3. Aufl., Kap. 3.15: Vertelungsglechgewcht (S ) Wedler G.: "Lehrbuch der Physkalschen Cheme", 2. Aufl., Kap : Ternäre Systeme (S ) 5. Aufgabe Bestmmen Se den Vertelungskoeffzenten von Essgsäure m Zwephasensystem Wasser / Butylacetat. Verglechen Se de Effektvtät zweer unterschedlcher Extraktonsmethoden. 6. Versuchsdurchführung Tel 1 a) 25 ml 2 mol/l CH 3 COOH mt 25 ml Butylacetat ca. 5 Mn. schütteln De Ermttlung der Säurekonzentraton n beden Phasen erfolgt durch Ttraton, wobe zu beachten st, dass zur vorgelegten Menge der organschen Phase stets etwa de gleche Menge 3

4 Insttut für Physkalsche Cheme Grundpraktkum 7. NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ Stand 03/11/2006 H 2 O dest. hnzuzugeben st und der Farbumschlag am Schluss erhalten bleben muss. Als Indkator wrd Phenolphthalen verwendet. 10 ml Wässrge Phase mt 0,5 mol/l NaOH ttreren 10 ml Organsche Phase mt 0,5 mol/l NaOH ttreren b) 25 ml 1 mol/l CH 3 COOH mt 25 ml Butylacetat ca. 5 mn schütteln, ttreren we unter 1 a) c) 25 ml 0,5 mol/l CH 3 COOH mt 25 ml Butylacetat ca. 5 mn schütteln, ttreren we unter 1 a) Tel 2 50 ml Esessg mt 100 ml Butylacetat schütteln Von deser Lösung jewels 50 ml entnehmen und a) mt 50 ml H 2 O ca. 5 mn schütteln 10 ml wässrge Phase mt 1 mol/l NaOH ttreren 10 ml organsche Phase mt 1 mol/l NaOH ttreren b) enmal mt 20 ml H 2 O ca. 5 mn schütteln dremal hnterenander mt je 10 ml H 2 O ca. 5 mn schütteln (Nach jedem Schüttelgang de beden Phasen trennen (!), de wässrgen sammeln, de organsche weterbehandeln!) 10 ml der verengten wässrge Phase mt 1 mol/l NaOH ttreren 10 ml organsche Phase mt 1 mol/l NaOH ttreren 7. Auswertung Tragen Se gemäß Gl. (6) de Konzentratonen der Säure n beden Phasen gegenenander auf. Se erhalten ene Ursprungsgerade, deren Stegung dem Vertelungskoeffzenten k entsprcht. We vel % Essgsäure lassen sch nach Methode 2 a) bzw. 2 b) extraheren? Verglechen Se de Ergebnsse und begründen Se den Untersched! 4

5 Insttut für Physkalsche Cheme Grundpraktkum 7. NERNSTSCHER VERTEILUNGSSATZ Stand 03/11/ Wchtge Hnwese - Verschern Se sch vor der ersten Trennung, welche der beden Phasen de wässrge und welche de organsche st. 9. R/S Sätze der verwendeten Chemkalen Essgsäure: R: 10 Entzündlch 35 Verursacht schwere Verätzungen S:23.2 Dampf ncht enatmen 26 Be Berührung mt den Augen sofort gründlch mt Wasser abspülen und Arzt konsulteren 45 Be Unfall oder Unwohlsen sofort Arzt zuzehen (wenn möglch, deses Etkett vorzegen) Natronlauge: R 35 Verursacht schwere Verätzungen S 26 Be Berührung mt den Augen sofort gründlch mt Wasser abspülen und Arzt konsulteren 36 Be der Arbet geegnete Schutzkledung tragen 37 Geegnete Schutzhandschuhe tragen 39 Schutzbrlle/Geschtschutz tragen 45 Be Unfall oder Unwohlsen sofort Arzt zuzehen (wenn möglch, deses Etkett vorzegen) Butylacetat: R: 10 Entzündlch 66 Wederholter Kontakt kann zu spröder und rssger Haut führen 67 Dämpfe können Schläfrgket und Benommenhet verursachen S 25 Berührung mt den Augen vermeden 5

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