Laboratorio 9. Equilibrio de distribución de un soluto en solventes inmiscibles Objetivo Determinar el coeficiente de distribución de ácido acético en el

sistema

agua/cloroformo y agua/éter. Además, se determinará la eficiencia de extracción y el número de moléculas del soluto que se asocia a la fase orgánica.

Introducción Si suponemos que dos solventes A y B son parcialmente miscibles a temperatura T y forman las fases α (una solución diluida de B en el solvente A) y β (una solución diluida de A en el solvente B) cuando se agitan a la temperatura T. Si adicionamos el soluto i al sistema, este se distribuirá entre ambas fases, así se satisface la siguiente condición de equilibrio: Potencial químico del soluto i en fase acuosa (µ iα )=Potencial químico de i en fase orgánica (µ iβ )

µ iα = µ iβ

( 9-1)

Los potenciales químicos se pueden expresar en términos de concentraciones molares como sigue: ⎛ γ c ,i ci ⎞ 0 ⎟ ⎝ c ⎠

µi = µ 0 c ,i + RT ln ⎜ Donde: γ = coeficiente de actividad de la especie µα,oi=potencial químico estándar

( 9-2)

Ci =concentración de I en la fase α.

Como los potenciales químicos son iguales en ambas fases, de acuerdo a la ecuación ( 9-2), la ecuación (9-1) se puede escribir como:

µ

0,α

⎛ γ α c , i cα i c ,i + RT ln ⎜ ⎜ c0 ⎝

⎞ ⎛ γ β c ,i c β i 0, β ⎟⎟ = µ c ,i + RT ln ⎜⎜ 0 ⎠ ⎝ c

⎞ ⎟⎟ ⎠

( 9-3)

La ecuación (3) se convierte en, ⎛ γ α cα ⎞ ⎛ ( µ 0,α c ,i − µ 0,β c ,i ) ⎞ ln ⎜ β c ,i β i ⎟ = − ⎜ ⎟ RT ⎝ ⎠ ⎝ γ c ,i c i ⎠ K AB ,i ≡

La cantidad K AB ,i ≡

β ⎡ ⎛ ( µ 0,α c ,i − µ 0,β c ,i ) ⎞ ⎤ cα i γ c ,i = exp ⎢− ⎜ ⎟⎥ c β i γ α c ,i RT ⎢⎣ ⎝ ⎠ ⎥⎦

cα i cβ i

( 9-4)

( 9-5)

( 9-6)

es el coeficiente de partición (o coeficiente de distribución) para el soluto i en el solvente A y B. K AB ,i no es exactamente igual a la relación de las solubilidades de i en A y B,

porque las fases α y β no son puramente A o puramente B. El exponencial en la ecuación ( 9-5) es una función de T y débilmente una función de P. Como las cantidades de i en las fases α y β cambian, la relación de los coeficientes de actividad en la ecuación (9-5) cambian, y las concentraciones de B en la fase α y A en la fase β también cambian. Por lo tanto K AB ,i depende de cuanta cantidad de i se añade al sistema y no es verdaderamente constante cuando la temperatura y la presión están fijas, a menos que α y β idealmente soluciones diluidas.

sean

El coeficiente de distribución, Kc, como: Kc =

ci , β ci ,α

(6)

log KC = log C iβ – n log Ciα

( 9-7)

( 9-8)

Si se estudia la distribución de un soluto A entre una fase orgánica β y una fase acuosa α, el soluto se asociará para formar un n-monómero en la fase orgánica de acuerdo a la reacción: nA ←→ An Puede ser demostrado de la misma manera que para cualquier mezcla: (ci,β) / (ci,α)n = Kc Si la asociación no es completa, el valor de n no será un entero y puede variar como función de la concentración. Y se puede asumir de estas relaciones de la Ley de Distribución que es más eficiente hacer varias extracciones con menos volumen, que una sola extracción con el volumen total utilizado para las extracciones “pequeñas”. Si se estudia la distribución de un soluto A entre una fase orgánica β y una fase acuosa α, el soluto se asociará para formar un nmonómero en la fase orgánica de acuerdo a la reacción: nA ←→ An Puede ser demostrado de la misma manera que para cualquier mezcla:

(ci,β) / (ci,α)n = Kc Si la asociación no es completa, el valor de n no será un entero y puede variar como función de la concentración. Y se puede asumir de estas relaciones de la Ley de Distribución que es más eficiente hacer varias extracciones con menos volumen, que una sola extracción con el volumen total utilizado para las extracciones “pequeñas”.

Procedimiento 1. Valorar NaOH 0.1 M con Ftalato acido de potasio (KHP) utilizando fenolftaleina como indicador. a. Pese aproximadamente 0.200 gramos de Ftalato acido de potasio, colóquelos en un matraz erlenmeyer. b. Agregue 10 mL de agua destilada c. Valore con NaOH 0.1 M d. Determine la concentración real del hidróxido de sodio utilizando la siguiente ecuación estequiometrica. NaOH(aq) + C6H4C2HO4K Æ C6H4C2O4KNa + H2O(l) 2. En el laboratorio encontrara soluciones de acido acético en tres concentraciones molares: 0.5, 0.75, 1.0 y 2.0 M. Agregar 25 mL de cada solución en un embudo de separación, como se muestra en la Figura 1.

0.5 M

0. 75 M

1.0 M

2.0 M

Figure 9-1. Diagrama para la separación 2. Agregar 25 mL de éter a cada embudo de separación. 3. Cerrar los embudos y agitar cuidadosamente varias veces. Esperar 15-20 minutos 4. Decantar las capas inferiores (fase orgánica). 5. Tomar una alícuota de 2mL de cada una de las capas inferiores (fase orgánica) y depositarlas en un matraz Erlenmayer de 250 mL. 6. Agregar igual volumen de agua a cada matraz Erlenmayer para garantizar que toda la fase orgánica se transfiera al agua. 7. Titular con hidróxido de sodio 0.1M, utilizando fenolftaleína como indicador. 8. Tomar una alícuota de 10 mL de las capas superiores (fase acuosa) y depositarlos en un matraz Erlenmeyer de 250 mL y titular con NaOH 0.1 M.

Cálculos 1. Determine la concentración real del NaOH utilizando la siguiente relación:

gramos de KHP ×

1molKHP 1molKHP 1molNaOH × × Vol titulacion (L) 204.23gKHP 1molKHP

2.Calcule la concentración de acido acético en las fases acuosas y orgánicas. Tabule sus resultados. Nota: Razón de moles de NaOH y CH3COOH: es 1:1 3. Determine los coeficientes de Distribución suponiendo que el orden de asociación es uno. 4. Calcule el promedio 5. Graficar log [Cβi ]org vs. log [Cαi ]ac y hacer una regresión lineal para obtener n y Kc. Utilice la ecuación (7). 6. Compare sus resultados con los reportados en la literatura. 7. Cómo varía el coeficiente de distribución con la concentración inicial del soluto, qué implicaciones tiene el valor de n obtenido, cómo influye la naturaleza de los solventes y el soluto en el valor del coeficiente de distribución, cómo se pueden utilizar los valores de Kc para seleccionar los solventes para una separación. 8. Debe incluir en esta sección un análisis de aspectos tales como: cómo varía el coeficiente de distribución con la concentración inicial del soluto, qué implicaciones tiene el valor de n obtenido, cómo influye la naturaleza de los solventes y el soluto en el valor del coeficiente de distribución, cómo se pueden utilizar los valores de Kc para seleccionar los solventes para una separación. Incluya las referencias seguido de la discusión.

Referencias Atkins, P., Physical Chemistry. 5Th ed. C8-C14. Freeman, New York. 1994 Castellan, G., Fisicoquímica. 2nd ed. 140-141. Addison Wesley. N.Y. 1971. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 58Th ed. Weast, Robert ed. CRC Press. West Palm Beach, 1978. Daniels, F. et.al, Experimental Physical Chemistry. 7Th ed. 18-21. McGraw Hill, New York. 1971 Levine, Ira N. Physical Chemistry. Fifth edition. Mc Graw Hill. Boston, USA 2002.