hydroliza estru - Ćwiczenia z chemii fizycznej

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY
ESTRÓW
Prowadzący:
Joanna Strzezik
Miejsce ćwiczenia:
Zakład Chemii Fizycznej, sala 69
LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I
HETEROGENICZNEJ
1
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
I.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru - octanu etylu w
środowisku alkalicznym.
II.
WSTĘP, PODSTAWY TEORETYCZNE
Reakcja zasadowej hydrolizy octanu etylu przebiega według schematu:
CH 3COOC 2 H 5 + OH − ←
→ C 2 H 5OH + CH 3COO −
(1)
Reakcja powyŜsza, jak wykazały liczne prace, jest nieodwracalną reakcją II-go rzędu. Jak wynika
ze schematu (1), w miarę postępu reakcji zmniejsza się stęŜenie estru i jonów wodortlenowych,
natomiast
wzrasta
stęŜenie
etanolu
i
jonów
octanowych.
PoniewaŜ
przewodnictwo
równowaŜnikowe jonów wodorotlenowych jest blisko pięciokrotnie wyŜsze od przewodnictwa
jonów octanowych (stosunek ten dotyczy równieŜ ruchliwości obu jonów), zatem naleŜy oczekiwać
wyraźnego zmniejszania się przewodnictwa elektrolitycznego mieszaniny reakcyjnej w miarę
postępu hydrolizy estru. Pozostałe składniki układu, jako niezjonizowane, nie mają wpływu na
wartość jego przewodnictwa. Pomiar przewodnictwa elektrolitycznego roztworu moŜe być, dla tego
typu układu, wykorzystywany jako miara postępu reakcji.
JeŜeli dobrać równe stęŜenia początkowe substratów reakcji (octanu etylu i wodorotlenku sodu),
wówczas dla reakcji (1) stała szybkości wyraŜa się równaniem:
k=
x
t ⋅ c 0 ⋅ (c 0 − x )
(2)
Równanie to przy załoŜeniu proporcjonalności odpowiednich wartości przewodnictw i stęŜeń
x/(c0 - x) = (κ0 - κt)/ (κt - κ∞) przyjmuje postać:
κ0 − κt
dm 3
k=
(
)
t ⋅ c 0 ⋅ ( κ t − κ ∞ ) mol min
gdzie:
κ0 – przewodnictwo właściwe roztworu w czasie t = 0
κt – przewodnictwo właściwe roztworu w czasie t
κ∞ – przewodnictwo właściwe roztworu po zakończeniu reakcji
t – czas (min)
c0 – stęŜenie początkowe substratu (mol/dm3)
x – stęŜenie produktu po czasie t (mol/dm3)
1
(3)
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
Pomiary przewodnictwa właściwego roztworów prowadzi się jednak pośrednio, mierząc opór
roztworu a następnie wykorzystując zaleŜność:
κ=
β
R
(4)
gdzie:
β - stała naczyńka konduktometrycznego
R – opór układu (Ω)
Wstawiając powyŜsze wyraŜenie do wzoru (3) na stałą szybkości reakcji, po przekształceniu
otrzymujemy:
k=
(R r − R 0 )
R
dm 3
⋅ ∞(
) (5)
t ⋅ c 0 ⋅ (R ∞ − R r ) R 0 mol min
Wynika z tego, iŜ niepotrzebna jest nam znajomość stałej naczyńka. Zatem prowadząc pomiary
oporności roztworu w ściśle określonych czasach, moŜna wyznaczyć wartość stałej szybkości
reakcji hydrolizy estru.
III.
WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura
Mostek
zmiennoprądowy,
naczyńko
konduktometryczne,
mieszadło
magnetyczne,
termostat.
Schemat aparatury pomiarowej przedstawiony jest poniŜej:
Elektroda
konduktometryczna
P³aszcz wodny
Mostek
Wheatstone’a
Woda do
zlewu
Mieszanina reakcyjna
Woda o sta³ej temperaturze
z termostatu.
Mieszad³o
magnetyczne
Motor mieszad³a
magnetycznego
Odczynniki
- octan etylu (CH3COOC2H5) 100%,
- wodorotlenek sodu - roztwór 0.1 mol/dm3,
- octan sodowy (CH3COONa) – roztwór 0.1 mol/dm3,
2
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
Pomiary
I. Sporządzenie roztworów.
UWAGA OGÓLNA
DO SPORZĄDZANIA WSZYSTKICH ROZTWORÓW ORAZ PRZEMYWANIA SZKŁA
NALEśY STOSOWAĆ WODĘ ZDEJONIZOWANĄ
1. W kolbie miarowej o poj. 100 ml przygotować wodny roztwór CH3COOC2H5 o stęŜeniu
0.002 mol/dm3. Ester naleŜy odmierzać mikropipetą o poj. 20 µl do kolby zawierającej wodę
zdejonizowaną.
2. W kolbie miarowej o pojemności 250 ml przygotować roztwór NaOH o stęŜeniu takim samym
jak stęŜenie roztworu estru.
3. W kolbie miarowej o pojemności 100 ml przygotować roztwór CH3COONa o takim samym
stęŜeniu, jakie byłoby gdyby reakcja (1) zaszła natychmiast stechiometrycznie do końca w
kierunku tworzenia octanu sodu.
II. Przeprowadzenie pomiarów
1. Pomiar oporności roztworu wodorotlenku sodowego R0
Do termostatowanego naczyńka konduktometrycznego wlać 40 ml roztworu NaOH i 40 ml
wody zdejonizowanej. Umieścić magnes mieszadła oraz elektrodę pomiarową w naczyńku.
Włączyć termostat i ustawić na temperaturę 25 °C oraz uruchomić mieszadło magnetyczne.
Odczekać aŜ temperatura układu ustabilizuje się (około 2 minut),wyłączyć mieszanie, a następnie
wykonać pomiar oporności tego roztworu. Po zakończeniu pomiaru naleŜy opróŜnić naczyńko i
starannie przemyć wodą zdejonizowaną.
2. Pomiar oporności mieszaniny reakcyjnej Rr.
Do termostatowanego naczyńka konduktometrycznego wlać 40 ml roztworu NaOH i 40 ml
estru, uruchomić mieszadło i rozpocząć pomiar czasu przebiegu reakcji. Umieścić elektrodę
pomiarową w naczyńku. Ustawienia termostatu pozostają niezmienione (patrz pkt. II.1). Przy
wyłączonym na krótko mieszadle naleŜy mierzyć opór układu, początkowo co 2 minuty (przez
pierwsze pół godziny) a następnie co 5 minut (przez godzinę).Po zakończeniu pomiaru naleŜy
opróŜnić i starannie przemyć naczyńko wodą zdejonizowaną.
3. Pomiar oporności po czasie nieskończenie długim R∞.
Do termostatowanego naczyńka konduktometrycznego wlać 80 ml roztworu CH3COONa
przygotowanego wg punktu I.3. Umieścić magnes mieszadła oraz elektrodę pomiarową w
3
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
naczyńku. Ustawienia termostatu pozostają niezmienione (patrz pkt. II.1). Odczekać aŜ temperatura
układu ustabilizuje się (około 2 minut),wyłączyć mieszanie, a następnie wykonać pomiar oporności
tego roztworu. Po zakończeniu pomiaru naleŜy opróŜnić i starannie przemyć naczyńko wodą
zdejonizowaną.
4
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
IV.
ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW
UWAGA: W razie niepoŜądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia
Postępowanie
Klasyfikacja
Odczynnik
octan etylu
Produkt wysoce łatwopalny.
Działa draŜniąco na skórę. Pary mogą wywołać
CH3COOC2H5
octan sodowy
CH3COONa
uczucie senności i zawroty głowy
Nie jest klasyfikowany jako substancja
niebezpieczna
Działa draŜniąco na oczy i skórę
z odpadami
Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, zdjąć zanieczyszczoną odzieŜ
umieścić w pojemniku na odpady
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą, natychmiast skonsultować się z okulistą
ciekłe organiczne bez fluorowców
Przy spoŜyciu: podać duŜą ilość wody, wezwać lekarza
oznaczonym literą „O”
Przy wdychaniu: świeŜe powietrze
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą.
umieścić w pojemniku na odpady
Przy spoŜyciu znacznych ilości: wezwać lekarza, jeŜeli poszkodowany poczuje się
ciekłe organiczne bez fluorowców
niezdrowo.
oznaczonym literą „O”
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą przez co najmniej 10 minut natychmiast
Roztwór
skonsultować się z okulistą.
rozcieńczyć i wylać do kanalizacji.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć duŜą ilością wody, natychmiast zdjąć zanieczyszczoną
wodorotlenek sodu
NaOH
Środki bezpieczeństwa
odzieŜ
Przy spoŜyciu: podać duŜą ilość wody, nie powodować wymiotów, nie neutralizować,
natychmiast wezwać lekarza.
Przy wdychaniu: świeŜe powietrze
5
zneutralizować,
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
V.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
Wyniki pomiarów naleŜy przedstawić w formie tabeli:
c0
=
(mol/dm3)
R0
=
(Ω)
R∞ =
(Ω)
Tabela 1. Wyniki eksperymentów i obliczeń
t
(min)
Rr
(Ω)
k
[dm ·mol-1·min-1]
3
1. Wyznaczenia wartości stałej szybkości metodą obliczeniową
Aby obliczyć wartości k dla kolejnych czasów t przy znanych wartościach: c 0 , R 0 , R ∞ , R r
naleŜy skorzystać ze wzoru (5). Jako wynik naleŜy podać wartość średnią k ze wszystkich
pomiarów.
2. Wyznaczenia wartości stałej szybkości metodą wykreślą
Drugim sposobem wyznaczania wielkości k jest zastosowanie regresji linowej. NaleŜy
wykreślić zaleŜność postaci:
f (t) =
(R r − R 0 ) R ∞
⋅
(R ∞ − R r ) ⋅ c 0 R 0
Współczynnik kierunkowy a prostej regresji linowej określa wartość stałej szybkości
reakcji k.
VI.
PYTANIA KONTROLNE
1. Wyprowadzić równanie na stałą szybkości reakcji nieodwracalnej II-go rzędu.
2. Podać metody analizy instrumentalnej stosowane w kinetyce chemicznej.
3. Wyprowadzić równanie (3) i (5)
4. Opisać metodę konduktometryczną śledzenia przebiegu reakcji w roztworach
5. Opisać metody rachunkowe i wykreślne wyznaczania stałych szybkości reakcji I, II i
III rzędu.
6. Wymienić najwaŜniejsze przyczyny powstawania błędów w pomiarach kinetycznych
VII. LITERATURA
1. Praca zbiorowa, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1982.
2. Praca zbiorowa, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980.
3. Barrow G.M., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1978.
6
KONDUKTOMETRYCZNE BADANIE KINETYKI HYDROLIZY ESTRÓW
4. W. Turek, Z. Uziel, Zbiór zadań obliczeniowych z chemii fizycznej cz.II, Kinetyka
chemiczna i adsorpcja. Skrypt Pol. Śl. Nr 1699, Gliwice 1992
5. Praca zbiorowa, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej cz. I, nr 705, Gliwice 1977
7