乙酸乙酯皂化反应动力学
C19乙酸乙酯皂化反应动力学
姓名:马玉仁 班级:10011202 学号:1120122488
一、 实验目的
1) 了解二级反应的特点。
2) 用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数。 3) 由不同温度下的速率常数求反应的活化能。
二、 原理
乙酸乙酯在碱性水溶液中的消解反应即皂化反应,其反应式为:
CH 3COOC 2H 5+NaOH →CH 3COONa +C 2H 5OH
反应式是二级反应,反应速率与CH 3COOC 2H 5及NaOH 的浓度成正比。用 a,b 分别表示乙酸乙酯和氢氧化钠的初始浓度, x 表示在时间间隔 t 内反应了的乙酸乙酯或氢氧化钠的浓度。反应速率为:
dx
dt =k a −x b −x (C19.1)
k 为反应速率常数,当 a=b 时,上式为:
dt =k(a−x) 2 (C19.2)
反应开始时 t=0 ,反应物的浓度为 a ,积分上式得:
k=ta a −x (C19.3)
在一定温度下,由实验测得不同 t 时的 x 值,由式(C19.3)可计算出 k 值。
改变实验温度,求得不同温度下的 k 值,根据Arrhenius 方程的不定积分式有:
a
lnk=−RT +c (C19.4)
dx
1x
E
以 lnk 对 1 T 作图,得一条直线,从直线斜率可求得 Ea 。
若求得热力学温度 T1 ,T 2 时的反应速率常数 k1 ,k 2 , 也可由Arrhenius 方程的定积分式变化为下式求得 Ea 值:
Ea = Rln 1 (−) (C19.5) k T T
2
2
1
k 11
本实验通过测量溶液的电导率 κ 代替测量生成物浓度 x。乙酸乙酯、乙醇是非电解质。在稀溶液中,强电解质电导率与浓度成正比,溶液的电导率是各离子电导之和。反应前后 Na+ 离子浓度不变,整个反应过程电导率的变化取决于 OH− 与 CH3COO − 浓度的变化,溶液中 OH− 的导电能力约为 CH3COO − 的五倍,随着反应的进行, OH− 浓度降低, CH3COO − 浓度升高,溶液导电能力明显下降。
一定温度下,在稀溶液中反应,κ0, κt , κ∞ 为溶液在 t=0, t =t, t =∞ 时的电导率,A 1,A 2 分别是与NaOH 、CH 3COONa 电导率有关的比例常数(与温度、溶剂等有关),于是:
t =0 ,κ0=A 1a ;
t =t ,κt =A 1 a −x +A 2x ; t =∞ ,κ∞=A 2a ;
由此得 κ0−κt =(A1−A 2)x x =(κ0−κt )/(A1−A 2) κt −κ∞=(A1−A 2)(a−x)
则式(C19.3)可写成 k=
1κ0−κt ta κt −κ∞
(a−x) =(κt −κ∞)/(A1−A 2)
, 即
κ0−κt κt −κ∞
=kat (C19.6)
以κ0−κt t 作图,由斜率 ka 可求得 k 。初始浓度 a 为实验中配制溶液时确定,通过实验可测
t
∞
κ−κ
κ0, κt , κ∞。
可以通过公示的形式变换避免测定 κ∞,改写式(C19.6)为:
κt =
以 κt 对
(κ0−κt )
t
1
κ0−κt kat
+κ∞ (C19.7)
作图为一直线,斜率为 ka ,由此可求出 k 。
三、 仪器和试剂
恒温槽 电导电极 秒表
移液管10、25 ml 磨口塞锥形瓶 100 ml 乙酸乙酯(A.R. )
电导率仪 叉形电导池 滴定管(碱式) 容量瓶100mL ,50ml
氢氧化钠溶液(约0.04mol·dm −3)
四、 实验步骤
1) 将叉形电导池洗净烘干,调节恒温槽至25℃。
2) 配制100ml 浓度约为0.02 mol ·L 乙酸乙酯水溶液:乙酸乙酯的相对分子质量为88.12,配制100 ml浓度0.02 mol·L 的乙酸乙酯水溶液需要乙酸乙酯0.1762 g。在洁净的100 ml容量瓶中加入少量去离子水,使用0.001g 精度的天平,通过称量加入乙酸乙酯0.1762g 左右。加入去离子水至刻度,根据加入乙酸乙酯的质量,计算乙酸乙酯溶液的精确浓度。注意再滴加乙酸乙酯之前,应在容量瓶中加入少量去离子水,以免乙酸乙酯滴加在空瓶中容易挥发,称量不准。在滴加乙酸乙酯时尽量使用细小的滴管,使加入的乙酸乙酯的质量尽量接近0.1762g ,但以小于0.1762g 为宜。滴加乙酸乙酯时不要滴在瓶壁上,要完全滴加到溶液中。
3) 配制100ml 与上面所配乙酸乙酯溶液浓度相同的NaOH 水溶液:根据实验室所提供的NaOH 精确称量,加入到洁净的100ml 容量瓶中,用去离子水溶解并稀释至刻度。
4) κ0的测量:用移液管取与乙酸乙酯浓度相同的NaOH 溶液25 ml,加入到洁净的50 ml容量瓶中,用去离子水稀释至刻度,用于测量κ0。取此溶液一部分放入到洁净干燥的叉形电导池直
-1
-1
支管中,用部分溶液淋洗电导电极,将电导电极放入到叉形电导池直支管中,溶液应能将铂电极完全淹没。将叉形电导池放入到恒温槽中恒温。10min 以后,读取记录电导率值。保留此叉形电导池中的溶液(加塞),用于后面35℃时测量κ0。
5) κt 的测量:用移液管取所配制的乙酸乙酯10 ml ,加入到洁净干燥的叉形电导池直支管中,取相同浓度的NaOH 溶液10 ml ,加入到同一叉形电导池侧支管中,注意此时两种溶液不要互相污染。将洁净的电导电极放入到叉形电导池直支管中,将叉形电导池放入到恒温槽中恒温。10 min以后,在恒温槽中将两支管中的溶液混合均匀,溶液应能将铂电极完全淹没,混合溶液的同时启动秒表计时,注意秒表一经启动,中间不要暂停。在第3 min 时读取溶液电导率值,以后每3 min 读取一次电导率值,测量持续30min 。
6) 调节恒温槽至35℃。
7) 测量35℃时κ0:在放入电导电极到叉形电导池时,注意电导电极的洁净,可以用待测溶液淋洗电导电极。
8) 参照步骤(5)测量35℃时κt 。
9) 测量完毕,洗净玻璃仪器,将电极用去离子水清洗,浸入去离子水中保存。
五、 实验数据记录与处理
实验中记录实验数据如下: 乙酸乙酯的质量:m=0.1762g,
m
乙酸乙酯的浓度:a =
M
乙酸乙酯
V
=
0.1762/88.12
0.1
mo l·L −1=0.02000mo l·L −1
配制同配置同浓度的NaOH 溶液所需NaOH 质量:0.00800g 实验记录电导率数值如下:
分别做25℃、35℃下以 κt 对t 作图得到如下图像:
(κ0−κt )
t
做25℃、35℃下以κt 对
作图,并进行直线拟合,图像如下:
25℃ κt -
κ0−κt
t
κ0−κt
t
35℃下κt -
1k2a
由图可得
1k1a
=22.001, =15.023 。
故可以求得κ1=2.2726L ·mol −1·min−1,κ2=3.3282L ·mol −1·min−1 由Arrhenius 方程的定积分式得:
Ea = Rln
k 111 (−) 221
2.2726
1
1
1
= 8.314×ln 3.3282 (35+273.15−25+273.15) ×1000kJ/mol=57.3kJ /mol
六、 思考题
1)在本实验中,使用DDSJ-308型电导率议测量溶液的电导率,可以不进行电极常数的校正,为什么?
答:因为本实验中,计算 k 值和 Ea 值时所需的数据都是等时间间距下测量的电导率值的拟合直线斜率,它只与等时间间距下电导率的差值有关。不进行常数校正,在等时间间距下测量到的电导
率数据都有着相同的系统误差,而不会改变不同时间下电导率数据的差值。所以本实验无需进行电极常数的校正。
2)为什么溶液浓度要足够小?
答:(1)溶液浓度越高,反应越快,则数据的测量不易把握,会影响测量数据的精确度;(2)乙酸乙酯是易挥发物质,浓度高会加快挥发,使实验测量的数据不准确。(3)浓度大时反应可能变得复杂,不能这样简单讨论。
3)利用反应物、产物的某物理性质间接测量浓度进行动力学研究,应满足什么条件? 答:该物理性质需要满足以下条件:
(1)易于测量,并能用数值表示; (2)该性质在一定环境条件下是稳定的;
(3)该物理性质和反应物、产物的浓度之间有一个明确的推导公式。