物化实验报告-乙酸乙酯

物化实验报告乙酸乙酯皂化反应速率系数测定2011011743分1黄浩同组实验者：李奕实验日期：2013-10-19提交报告日期：2013-10-22实验教师：王振华1.引言1.1实验目的a.学习测定化学反应动力学参数的一种物理化学分析方法——电导法。b.了解二级反应的特点，学习反应动力学参数的求解方法，加深理解反应动力学特征。c.进一步认识电导测定的应用，熟练掌握电导率仪的使用方法。1.2实验原理反应速率与反应物浓度的二次方成正比的反应为二级反应，其速率方程式可以表示为22dc-=kcdt（1）将（1）积分可得动力学方程：0ct22c0dc-=kdtc（2）2011-=ktcc（3）式中：0c为反应物的初始浓度；c为t时刻反应物的浓度；2k为二级反应的反应速率常数。将1/c对t作图应得到一条直线，直线的斜率即为2k。对于大多数反应，反应速率与温度的关系可以用阿累尼乌斯经验方程式来表示：aElnk=lnA-RT（4）式中：aE为阿累尼乌斯活化能或反应活化能；A为指前因子；k为速率常数。实验中若测得两个不同温度下的速率常数，就很容易得到21Ta21T12kET-Tln=kRTT（5）由（5）就可以求出活化能aE。乙酸乙酯皂化反应是一个典型的二级反应，物化实验报告325325CHCOOCH+NaOHCHCOONa+CHOHt=0时，0c0c00t=t时，0c-x0c-xxxt=∞时，000xc0xc设在时间t内生成物的浓度为x，则反应的动力学方程为220dx=k(c-x)dt（6）2001xk=tc(c-x)（7）本实验使用电导法测量皂化反应进程中电导率随时间的变化。设0、t和分别代表时间为0、t和∞（反应完毕）时溶液的电导率，则在稀溶液中有：010=Ac20=Act102=A(c-x)+Ax式中A1和A2是与温度、溶剂和电解质的性质有关的比例常数，由上面的三式可得0t00-x=-c-（8）将（8）式代入（7）式得：0t20t-1k=tc-（9）整理上式得到t20t0=-kc(-)t+（10）以t对t(-)t作图可得一直线，直线的斜率为20-kc，由此可以得到反应速率系数2k。溶液中的电导（对应于某一电导池）与电导率成正比，因此以电导代替电导率，（10）式也成立。实验中既可采用电导率仪，也可采用电导仪。2.实验操作2.1实验药品、仪器型号及测试装置示意图物化实验报告仪器：计算机及接口一套（或其他电导数据记录设备）；DDS-11A型电导率仪一台；恒温槽一套；混合反应器3个；电导管2个；20ml移液管2支；10ml移液管2支；0.2ml移液管1支；100ml容量瓶1个；洗耳球一个。药品：0.01852mol·L-3NaOH标准溶液；0.009045mol·L-3NaAc溶液（此浓度值为NaOH标准溶液的一半）；乙酸乙酯（AR）；新鲜去离子水或蒸馏水。本实验的核心装置为混合反应器，如下图所示：图1混合反应器示意图2.2实验条件环境温度：18.7℃相对湿度：39%环境气压：102.5kpa2.3实验操作步骤及方法要点2.3.1配制乙酸乙酯溶液配制100ml乙酸乙酯溶液，使其浓度与氢氧化钠标准溶液相同。乙酸乙酯的密度根据下式计算：233)/(1095.1)/(168.154.924)/(℃℃－ttmkg根据环境温度，求得乙酸乙酯的密度为902kg/m3，则需要乙酸乙酯的体积为：V=C𝑁𝑎𝑂𝐻V𝑁𝑎𝑂𝐻Mρ=0.1809ml配制方法如下：在100ml容量瓶中装2/3体积的水，用0.2ml刻度移液管吸取0.181ml乙酸乙酯，滴入容量瓶中，加水至刻度，混匀待用。2.3.2准备工作检查仪器药品，接通电源。设定恒温槽温度为20℃左右（以温度计为准，比室温高0.5~1℃即可），并接通相应设备电源，调好相应参数，准备数据采集。2.3.3测量用20ml移液管移取氢氧化钠标准溶液于1池中，再移取20ml乙酸乙酯溶液于2池中，将电导电极插入2池，再取适量醋酸钠溶液于电导管中，将反应器和电导管放入恒温槽中，物化实验报告一起恒温约10分钟。待温度计示数不改变时，开始进行数据采集，再用洗耳球使1、2池中溶液迅速混合均匀，3~5次挤压即可。约20分钟后即可停止实验。清洗电导电极后，将其插入到电导管中，测定醋酸钠溶液的电导率κ∞（应多次测量，直到显示数据没有太大变化为止）。再次清洗电导电极。升高温度1℃左右，重复以上步骤测定反应电导率的变化，一共进行三次实验即可。2.4实验注意事项a.温度的变化会严重影响反应速率，因此一定要保证恒温。b.不要敞口放置NaOH溶液，以防吸收空气中CO2，使其浓度变化。c.混合过程既要快速进行，又要小心谨慎。不要将溶液挤出混合器。d.过程中更换反应液需要将电导率电极清洗干净，但不可擦拭内部镀有铂黑的部分。e.采集数据过程中，要尽量避免对计算机进行其他操作，以防数据失真。f.控温时，以温度计示数为准，控温仪的旋钮应谨慎调节，最好始终使恒温槽处于加热恒温状态，因降温的速度比较慢。3结果与讨论3.1原始实验数据氢氧化钠溶液浓度：0.01852mol/L，纯乙酸乙酯体积：0.1809ml乙酸乙酯溶液浓度：0.01852mol/L，醋酸钠溶液浓度：0.009045mol/L反应溶液电导率的原始数据略去，NaAc电导率和反应温度等数据见3.23.2计算的数据、结果3.2.1计算反应速率常数(1)实验点1温度：22.00℃，κ∞=462μS/cm数据处理方法：首先，在测得的一系列电导率中，找到其最高点，删去之前的数据，将该点作为t=0；再在该点之后的数据点中，删去明显的波动，或是用线性插值替换；最后将(κ𝑡−κ∞)𝑡为自变量，κ𝑡为因变量，即借助公式t20t0=-kc(-)t+，用EXCEl进行线性拟合，得到斜率，再除以-C0即为反应速率常数。所得结果如下：物化实验报告图2实验点1的电导率拟合曲线因而反应速率常数k=斜率/(-C0)=0.0004736/0.009045=0.05236(L/mol·s)，R2为0.9944(2)实验点2温度：22.65℃，κ∞=470μS/cm按照上文所述，使用excel处理数据，绘制t20t0=-kc(-)t+的图像如下：图3实验点2的电导率拟合曲线因而反应速率常数k=斜率/(-C0)=0.0005267/0.009045=0.05823(L/mol·s)，R2为0.9985(3)实验点3温度：23.4℃，κ∞=479μS/cm按照上文所述，使用excel处理数据，但本次实验多反应了两分钟，因此为了增加数据的统一性，将20min后的数据点全部删除，绘制t20t0=-kc(-)t+的图像如下：y=-0.0004736x+2,049.0777812R²=0.99444231000120014001600180020002200020000040000060000080000010000001200000κ∞−κ𝑡𝑡/(𝜇𝑆∙𝑠𝑐𝑚)𝜅𝑡/(𝜇𝑆𝑐𝑚)y=-0.0005267x+2,027.8035375R²=0.998545112001300140015001600170018001900200021002200-1000001000003000005000007000009000001100000κ∞−κ𝑡𝑡/(𝜇𝑆∙𝑠𝑐𝑚)𝜅𝑡/(𝜇𝑆𝑐𝑚)物化实验报告图4实验点3的电导率拟合曲线因而反应速率常数k=斜率/(-C0)=0.0005515/0.009045=0.06097(L/mol·s)，R2为0.9936(4)将上述三个实验点的拟合结果整理如下：表1各个实验点的反应速率常数——使用excel拟合序号温度/℃𝛋∞/(𝛍𝐒𝐜𝐦)k/(L/(mol·s))R2122.004620.052360.9944222.654700.058230.9985323.44790.060970.9936根据不同温度下的k值，结合公式：aElnk=lnA-RT，使用线性拟合，可得活化能为：78.285kJ/mol(5)使用实验室数据处理软件所得结果：表2各个实验点的反应速率常数——使用实验室软件拟合序号温度/℃𝛋∞/(𝛍𝐒𝐜𝐦)k/(L/(mol·s))R2122.004620.053310.9985222.654700.060040.9991323.44790.064340.9955根据不同温度下的k值，结合公式：aElnk=lnA-RT，使用线性拟合，可得活化能为：96.971kJ/mol3.3讨论分析1.实验结果分析通过数据拟合的方式，我们得到了三种反应温度下的反应速率系数以及整个反应的活化能，线性程度较好。y=-0.0005515x+2,137.1064365R²=0.993578410001200140016001800200022002400020000040000060000080000010000001200000κ∞−κ𝑡𝑡/(𝜇𝑆∙𝑠𝑐𝑚)𝜅𝑡/(𝜇𝑆𝑐𝑚)物化实验报告但也不难观察到，在课后使用excel拟合得到的结果与在实验室中所得结果相差较大，其本质原因不是软件拟合方式的差异，而是取点方式的不同：用excel拟合时，我均使用了0~1120s的数据，其反映的是前20min的整体反应情况，其优点是综合性较好，对于整体结果的预测更有说服力，但可能随着反应的进行，已经开始偏离了二级反应动力学，因而这种处理方式的缺点是精度较差、线性性质较弱。而用实验室的软件拟合时，我们均采用了线性较好的反应初期（大约前10min），这样对于二级反应动力学的刻画比较准确，但对于整体反应性的估计较差，因为反应初期的速率和20min后的速率已经有了明显的偏离，这从κ曲线的凹函数特性上就能够观察出来。因此，如果我们要用此实验来对以后的工业反应进行估计，那么应该使用所有点进行数据拟合，而如果要单纯从理论角度研究二级反应，那么应从反应初期取点，这样可以获得线性较好的图像。另一方面，两种取点方法所求得的活化能相差较大，可以说，这两个活化能都不可靠，这是由于我们在研究此问题时，把活化能当做了不随温度变化的常量，如此求得的只是在此温度范围下的平均活化能。但从实验结果来看，无论使用哪种数据处理方法，aElnk=lnA-RT曲线都是一个弯曲程度很大的凸曲线，线性性质较差，这说明Ea似乎是随温度变化的。2.实验仪器分析在整个实验中，可能造成误差的因素有很多：（1）温度：这是影响最大的一个方面，因为本反应的活化能较高，温度变化对于k的影响较大。一方面，在反应时要注意控温，如果在反应前后温度有变化，则取其平均值作为反应温度；另一方面，体系温度的均匀性不易保证，恒温槽中的热源有加热管和反应器两个，而温度计离这两个装置都有一定距离，无法测得反应器内部的温度。（2）混合过程。一方面，混合过程要迅速、充分，其要领是一口气将所有NaOH都挤入乙酸乙酯中，再吸回或待其自然回复，迅速反复4次左右即可，如果混合不充分，那么会对实验精度造成极大的影响。另一方面，混合力度不能太大，这会导致三个问题，一可能使液体从上塞中溢出，造成浓度变化，二会鼓入空气，使得NaOH被消耗，三会使数据处理时的反应起点与实际的反应起点造成较大偏离，因为混合时电导率总在波动，数据处理时为了较好的线性性质，会把稳定后的最高电导率作为起点，实际上，从混合充分时之前就已经开始反应了，多余的混合反而会降低精度。（3）溶液浓度。这个是属于不可调的系统误差，因为NaAc和NaOH溶液已经配好，其准确度已经确定，即使乙酸乙酯的浓度配得十分准确，也无法判断此部分系统误差的大小程度。关于浓度，一方面要保证等摩尔反应，另一方面要保证NaAc的浓度为反应终点时的浓度。4结论物化实验报告本实验我们获得了三个温度下的乙酸乙酯皂化反应速率常数和活化能，如下表所示：表3实验结果序号温