物理化学实验报告 - 乙酸乙酯皂化反应动力学

北京理工大学物理化学实验报告乙酸乙酯皂化反应动力学班级：09111101实验日期：2013-4-271一、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：CH3COOC2H5+NaOH→CH3COONa+C2H5OH反应式是二级反应，反应速率与CH3COOC2H5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：dxdt=k(a−x)(b−x)k为反应速率常数，当a=b时，上式为：dxdt=k(a−x)2反应开始时t＝0，反应物的浓度为a，积分上式得：k＝1tax(a−x)在一定温度下，由实验测得不同t时的x值，由上式可计算出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：lnk=−EaRT+c以lnk对1T⁄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,T2时的反应速率常数k1,k2,也可由Arrhenius方程的定积分式变化为下式求得Ea值：2Ea=(Rlnk1k2)(1T2−1T1⁄)由于在反应中，生成物浓度x无法即时测量，所以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，非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−的尝试升高，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，A1，A2分别是与NaOH、CH3COONa电导率有关的比例常数（与温度、溶剂等有关），于是：t=0，κ0=A1a;t=t，κt=A1(a−x)+A2x;t=∞，κ∞=A2a;由此得κ0−κt=(A1−A2)x即x=(κ0−κt)/(A1−A2)κt−κ∞=(A1−A2)(a−x)即(a−x)=(κt−κ∞)/(A1−A2)而k＝1tax(a−x)即κ0−κtκt−κ∞＝kat上式变形为：κt＝κ0−κtkat+κ∞以κt对κ0−κtt作图为一直线，斜率为1ka，由此可求出k。3三、仪器和试剂恒温槽、电导率仪、电导电极、叉形电导池、秒表、碱式滴定管、10ml、25m移液管、100mL，50ml容量瓶、乙酸乙酯（A.R.）、氢氧化钠溶液（0.04mol·dm−3）四、实验步骤准备溶液：1）打开恒温槽，设置温度为25℃。将叉形电导池洗净、烘干。同时清洗两个100ml、一个50ml的容量瓶；2）在100ml容量瓶中加入小许水，然后使用分析天平称量加入乙酸乙酯0,1716g，定容待用。3）经过计算，定容后的乙酸乙酯的浓度为0.01948mol·L-1，配置同浓度的NaOH所需0.04000mol·L-1的NaOH体积为48.69ml，用碱式滴定管量取48.69ml溶液于100ml容量瓶中，定容待用。4）用25ml移液管移取25mlNaOH溶液于50ml容量瓶中，定容待用。k0测量1）取一部分稀释的NaOH于洁净干燥的叉形管直管中，将用稀释的NaOH润洗后的电导电极放入叉形管直管中，在恒温槽中恒温10min，读取电导率。保留叉形管中溶液，用于35℃测量k0。kt的测量：1）用移液管取乙酸乙酯和同浓度的NaOH各10ml分别加入到叉形管的直管和测管中，将电导电极插入直管中，恒温10min。2）将两种溶液混合，同时开启秒表计时。3）3min后读取溶液的电导率，以后每3min中读取一次，测量持续30min。4测量35℃的电导率：1）将恒温槽温度设置为35℃。2）将保存的稀释的NaOH放在恒温槽中恒温10min测量k0。3）重复上述测量kt的方法测量35℃下的kt。4)清洗玻璃仪器，电导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：称取乙酸乙酯的质量是m=0.1716g，乙酸乙酯的浓度为a=𝑚𝑀乙酸乙酯⁄𝑉=0.1716/88.110.1mo𝑙·L−1=0.01947mo𝑙·L−1配制同配置同浓度的NaOH所需0.04000mol·L-1的NaOH体积为：𝑉𝑁aOH=𝑚𝑀乙酸乙酯𝑐𝑁aOH=0.1716𝑔88.11g·mo𝑙−10.0400mol·l−1=0.04869l=48.69ml实验记录电导率数值如下：温度25℃35℃K0/µs17582040参数时间/s电导率/µs(0−)电导率/µs(0−)180.015611.09417471.389360.014360.894415581.339540.013440.766714141.159720.012630.687513210.9986900.011980.622212650.86111080.011470.565712090.76941260.011040.519011600.69841440.010680.479211160.64171620.010330.447510860.58891800.010060.417810620.54331980.09830.39110390.50562160.09560.37110210.47182340.09340.35210090.44062520.09190.3339930.4155分别做25℃、35℃下以κt对t作图得到如下图像：从图像上可以看出来κt与t呈现反相关，符合κt=𝑘0𝑎𝑘+1的基本趋势，故接下来做25℃、635℃下以κt对κ0−κtt的图像，并进行直线拟合，图像如下：25℃κt-κ0−κtt图像35℃下κt-κ0−κtt图像可见κt、κ0−κtt呈现线性关系。并且：1𝑘1a=877，1𝑘2a=614。故可以求得7κ1=0.0585L·mol−1·𝑠−1，κ2=0.0836L·mol−1·𝑠−1由Arrhenius方程的定积分式得:Ea=(Rlnk1k2)(1T2−1T1⁄）=(8.314×ln0.05850.0836)(135+273.15−125+273.15⁄)×11000kJ/mol=27.3kJ/mol六、数据误差分析常温下乙酸乙酯皂化反应的活化能Ea=47.3kJ/mol.与实际测算得Ea相差较大。经分析可能由以下几个因素造成：1）反应液在恒温时没有用橡胶塞子盖好，虽然溶液很稀，但是还是有部分乙酸乙酯挥发。2）在恒温的过程中，由于恒温箱在搅拌，可能有水溅入到叉形电导池中。3）混合过程慢，混合不均匀影响反应速率导致误差；4）NaOH溶液浓度并不是精确等于0.04000mol·L-1，配制溶液的浓度并不是完全相等而导致反应速率常数计算公式变化，但仍按原公式计算而产生误差。5）由于前几分钟溶液刚刚混合，溶液并未混合均匀，所测电导率存在偏差，在数据拟合拟合是并未考虑这个因素，这可以从实验图像看出，前几组数据与拟合直线相差较大。七、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，8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。