乙酸乙酯反应动力学研究实验报告

乙酸乙酯皂化反应动力学研究朱赟PB13206210中国科学技术大学高分子科学与工程系合肥230026摘要本实验通过测量电导率随时间的变化，对乙酸乙酯皂化反应的动力学的研究，求得了其反应速率常数和反应活化能。关键词电导率速率常数活化能前言乙酸乙酯皂化反应方程式为：CH3COOC2H5＋Na＋＋OH－══CH3COO－＋Na＋＋C2H5OH在反应过程中，各物质的浓度随时间而改变（注：Na＋离子在反应前后浓度不变）。若乙酸乙酯的初始浓度为a，氢氧化钠的初始浓度为b，当时间为t时，各生成物的浓度均为x，此时刻的反应速度为：dxdtkaxbx()()(1)式中，k为反应的速率常数，将上式积分可得：ktabbaxabx1ln()()(2)若初始浓度a=b，(1)式变为dxdtkax()2，积分得：ktxaax()(3)不同时刻各物质的浓度可用化学分析法测出，例如分析反应中的OH－浓度，也可用物理法测量溶液的电导而求得。在本实验中我们采用后一种方法，即用电导法来测定。电导是导体导电能力的量度，金属的导电是依靠自由电子在电场中运动来实现的，而电解质溶液的导电是正、负离子向阳极、阴极迁移的结果，电导L是电阻R的倒数。LRLAlg1式中A为导体的截面积，l为导体的长度，Lg称电导率。它的物理意义是：当l=1m，A=1m2时的电导。对一种金属，在一定温度下，Lg是一定的。对电解质溶液的Lg不仅与温度有关，而且与溶液中的离子浓度有关。在有多种离子存在的溶液中，Lg是各种离子迁移作用的总和，它与溶液中离子的数目，离子所带电荷以及离子迁移率有关。在本实验中，由于反应是在较稀的水溶液中进行的，我们可以假定CH3COONa全部电离，反应前后溶液中离子数目和离子所带电荷不变，但由于CH3COO－的迁移率比OH－的迁移率小，随着反应的进行，OH－不断减少，CH3COO－的浓度不断增加，故体系电导率值会不断下降，在一定范围内，可以认为体系的电导率的减少量和CH3COO－的浓度x增加量成正比，在t=t时xKLLt()0(4)式中L0为起始时的电导率，Lt为t时的电导率。当t=t时反应终了CH3COO－的浓度为a，即：aKLL()0(5)式中L即反应终了时的电导率，K为比例常数，将（4）、（5）代入（3）式得：ktKLLaKLLLLLLaLLtttt()()()()()0000或写成：LLLLakttt0(6)或akLakLtLLtt0(7)从直线方程（6）可知，只要测定了L0、L以及一组Lt值后，利用LLLLtt0对t作图，应得一直线，直线的斜率就是反应速度和初始浓度a的乘积。k的单位为dm3·mol-1·min-1。反应的活化能可根据阿累尼乌斯公式求算：dkdTERTaln2(8)积分得：lnkkERTTTTa212112(9)式中k1、k2分别对应于温度T1、T2的反应速率常数，R为气体常数，Ea为反应的活化能。实验部分一、试剂和仪器仪器：SevenMultiS-40电导率测试仪1台梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司HK-2A超级恒温水浴1台南京南大万和科技有限公司JB-1B磁力搅拌器1台上海雷磁新泾仪器有限公司100mL恒温夹套反应器1个250mL锥形瓶3个50mL滴定管1只100mL移液管1只0.2mL吸量管1只试剂：邻苯二甲酸氢钾（分析纯）CH3COOC2H5（分析纯）NaOH（分析纯）酚酞指示剂溶液二、实验步骤1、打开恒温槽使其恒温在30℃±0.2℃。2、NaOH溶液的配制：（室温下）用一个小烧杯配制少量的浓NaOH溶液，在1000ml的广口瓶装入约900ml的蒸溜水，将所选用电导仪的测量电极插入水中，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓NaOH溶液到L=1300～1400μS/cm。3、NaOH溶液的滴定：（室温下）将配制好的NaOH溶液用人工手动滴定管和酚酞指示剂在室温下进行浓度测定，重复三次以上，取平均值。4、L0的测定：取100ml配制且滴定好的NaOH溶液置于恒温夹套反应器中，插入洗净且吸干水的测量电极，恒温10分钟，等电导仪上的读数稳定后读取数据。5、Lt的测定：完成L0的测定后，使用小容量的移液管移取所需用量的乙酸乙酯，穿过大口玻璃套，将乙酸乙酯全部放入溶液中，不要遗留在玻璃套的内壁上，以免浓度不准。进行到35分钟后结束。6、按步骤4、5在35℃下进行测量。结果与讨论一、实验结果表一乙酸乙酯皂化反应速率常数及活化能测量结果物理量实验值参考值相对误差30℃下速率常数k30℃7.421L·min-1·mol·18.792L·min-1·mol·1-15.59%35℃下速率常数k35℃10.07L·min-1·mol·111.94L·min-1·mol·1-15.66%反应活化能Ea47.41kJ·mol-147.54kJ·mol-10.27%从结果上看，速率常数有一定的偏差，而活化能的误差很小。二、误差分析实验误差可能来源于以下几点：1.在推导式（6）式（7）时假定了CH3COONa全部电离，而在实验中必然存在水解，因此公式并不能完全符合实际情况。2.电脑软件在采集数据时，每两次读数间有10s左右的间隔，加CH3COOC2H5开始反应的时刻可能并没有读数，导致时间t有几秒的误差。而在式（7）中t位于分子项，故对开始的数据有较大的影响，这也是在图中高电导率处出现非线性的曲线的原因。即使取线性较好的一段作图，仍会有一定影响。3.配置好的NaOH溶液会吸收部分空气中的CO2导致浓度变化。4.吸取的乙酸乙酯的量只有0.05mL，向体系中移乙酸乙酯时可能有较大误差。5.恒温槽的温度有一定的波动。三、对实验的体会认识本实验通过电导法较方便的测量了乙酸乙酯皂化反应的速率常数和活化能，对动力学实验有了更进一步的认识:要想得到更为准确的结果，应该确保恒温装置状态良好，因为速率常数受温度影响很大；同时也要尽量排除其他因素（如浓度，时间等）不准确造成的影响。参考文献[1].傅献彩，沈文霞，姚天扬；物理化学；北京:高等教育出版社.2006.[2].崔献英，柯燕雄，单绍纯；物理化学实验；合肥:中国科学技术大学出版社.2000.StudyofKineticsofEthylAcetateSaponificationZhuYunPB13206210UniversityofScienceandTechnologyofChina,DeptofPolymerScienceandEngineering,Hefei,230026AbstractBymeasuringtheconductivitychangeovertime,wehavedonesomeresearchonthekineticsofethylacetatesaponification,andobtainedtherateconstantandreactionactivationenergy.Keywordsconductivity,rateconstant,activationenergy附录一：原始数据一、NaOH滴定数据M(C8H5O4K)/g0.03240.03130.0306V(NaOH)/mL29.2228.3227.83c(NaOH)/mmol·L-15.4295.4125.384c(NaOH)̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅/mmol·L-15.408二、电导率数据已上传至FTP服务器。附录二：数据处理过程一、滴入NaOH的体积计算𝑉NaOH=𝑐NaOH𝑉NaOH𝑀EA𝜌EA=5.408mmol∙L−1×100mL×88.11g∙mol−10.9g∙mL−1=0.053mL二、速率常数计算1.30℃时的速率常数：对原始数据进行处理，将电脑时间转化为反应时间。由于没有测量L∞，故用式(6)处理：求出(L0-Lt)/t，并与Lt作图，用直线拟合。由于后面一些点偏离过大，故只用了前面200个点进行拟合，得到了下图：直线斜率为6.689×10-4s-1，根据式(6)有c(NaOH)·k30℃=6.689×10-4s-1而c(NaOH)=5.408mmol·L-1，可得：K30℃=0.1237L·s-1·mol·1=7.421L·min-1·mol·12.35℃时的速率常数类似30℃下的处理过程，做出下图：直线斜率为9.074×10-4s-1，根据式(6)有c(NaOH)·k35℃=9.074×10-4s-1而c(NaOH)=5.408mmol·L-1，可得：K35℃=0.1678L·s-1·mol·1=10.07L·min-1·mol·1三、活化能根据Arrhenius公式，带入两个不同温度下的速率常数可得：𝐸𝑎=Rln（𝑘30℃𝑘35℃⁄）1𝑇2−1𝑇1=8.314J∙mol−1∙K−1ln（7.42110.07⁄）1308.15K−1303.15K=47.41kJ∙mol−1四、相对误差根据经验公式lg(k/L·min-1·mol·1)=-1780/(T/K)+0.00754·T/K+4.53，计算得到参考值：𝑘30℃0=8.792L·min-1·mol·1相对误差𝐷30℃=𝑘30℃−𝑘30℃0𝑘30℃’×100%=−15.59%𝑘35℃0=11.94L·min-1·mol·1相对误差𝐷35℃=𝑘35℃−𝑘35℃0𝑘35℃’×100%=−15.66%利用两参考值算出活化能𝐸𝑎0=47.54kJ·mol-1，则相对误差𝐷𝐸𝑎=𝐸𝑎−𝐸𝑎0𝐸𝑎0×100%=0.27%