中国科大物化实验8-乙酸乙酯皂化反应动力学研究报告

实验八乙酸乙酯皂化反应动力学研究PB14207067张镇【摘要】本实验用电导法测定乙酸乙酯皂化反应物质浓度随时间的变化，从而研究此二级反应的动力学规律并计算反应速率常数和活化能。【关键词】电导法二级反应反应速率常数活化能【Abstract】Inthisexperiment,thesaponificationofethylacetateconcentrationchangeswithtimedeterminedbyconductancemethod,tostudythekineticsoftwoorderreactionandthereactionrateconstantandactivationenergy.【Keywords】ElectricconductivitymethodSecond-orderreactionReactionrateconstantActivationenergy【前言】乙酸乙酯皂化反应方程式为：CH3COOC2H5＋Na＋＋OH－══CH3COO－＋Na＋＋C2H5OH此反应的反应速度与乙酸乙酯的浓度、碱的浓度有关。该反应是二级反应。若在反应过程中的不同时间通过电导法测得蔗糖的相应浓度，即可求得该反应的速度常数k。再通过不同温度反应速率常数的数据，根据阿仑尼乌斯公式，可计算出乙酸乙酯皂化反应的活化能。【实验部分】一、实验原理1、乙酸乙酯造化反应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()()(10－1)式中，k为反应的速率常数，将上式积分可得：ktabbaxabx1ln()()(10－2)若初始浓度a=b，9－(1)式变为dxdtkax()2，积分得：ktxaax()(10－3)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。2、电导法测反应速率常数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(10－4)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(10－5)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(10－6)或akLakLtLLtt0(10－7)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。3、阿仑尼乌斯公式算反应活化能反应的活化能可根据阿仑尼乌斯公式求算：dkdTERTaln2(10－8)积分得：lnkkERTTTTa212112(10－9)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。二、实验仪器与实验试剂1、实验仪器：型号及名称生产厂家仪器参数数量HK-2A型超级恒温水浴南京南大万和有限公司电压220V功率1.5kW频率50Hz最高温度95℃1台SevenMultipH/电导率、离子综合测试仪METTLERTOLEDO仪器（上海）有限公司电压9V功率7W1台JB-1B型磁力搅拌器上海累磁新泾仪器有限公司1台0.2ml移液管量程0.2mL1支100ml移液管量程100mL1支100mL容量瓶1个50mL烧杯1个吸耳球1个聚四氟乙烯滴定管量程50mL1支250mL锥形瓶250mL3个电导池1只100mL恒温夹套反应器1个广口瓶1支2、实验试剂：试剂名称参数乙酸乙酯分析纯邻苯二甲酸氢钾分析纯氢氧化钠分析纯酚酞指示剂三、实验步骤1、打开恒温槽使其恒温在25℃±0.2℃。2、打开电导率仪。根据附录“电导率仪的使用”对电导率仪进行0点及满刻度校正。并认真检查所用电导电极的常数，并用旋钮调至所需的位置。3、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，将所选用实验仪器的测量电极插入水中，（1）如果选用电导率仪测量，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓浓NaOH溶液到L=1300～1400μS/cm（2）如果选用离子分析仪测量，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓浓NaOH溶液到PH=12.00左右。4、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。5、L0（或PH0）的测定：（25.00℃）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，每隔10s自动读取一次数据，直到数据不再发生变化。6、Lt（或PHt）的测定：（35.00℃）完成L0（或PH0）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。放到一半时打开秒表计时，读数平稳变化后，尽快测量第一组数据，以后每隔10s自动读一次数，进行到35分钟后结束。7、根据需要进行其他测量8、按步骤5、6和7在第二个温度下进行测量。（30.00℃）四、实验注意事项1、NaOH溶液和乙酸乙酯混合前应预先恒温。2、清洗铂电极时不可用滤纸擦拭电极上的铂黑。3、NaOH溶液和乙酸乙酯混合前应预先恒温，待系统稳定了之后再测数据，以减小温度变化对测定反应速率的影响。4、在电导池中加入NaOH溶液后，再其混合均匀后，应尽快计时，以此为反应的起始点。5、称取邻苯二甲酸氢钾时操作应迅速，防止物质发生变化。6、在电导池中加入NaOH溶液后，再其混合均匀后，应尽快计时，以防止其吸收二氧化碳影响实验结果。7、NaOH溶液和乙酸乙酯混合前应预先恒温，以减小温度变化对测定反应速率的影响。五、实验结果及误差分析1、实验结果与误差（1）25℃时乙酸乙酯皂化反应的反应速率ｋ＝6.3604dm-3/(mol*min)（2）30℃时乙酸乙酯皂化反应的反应速率ｋ＝9.4001dm-3/(mol*min)（3）乙酸乙酯皂化反应的活化能Ea=57.39kJ/mol查得常温下乙酸乙酯皂化反应在水溶液中活化能Ea=47.3kJ/mol相对误差δ=|57.4-47.3|/47.3*100%=21.4%2、误差分析（1）随机误差：①两种不同温度下都只进行了一次实验，可能会有较大的随机误差；②加入乙酸乙酯时，开始计时的时间点无法保证绝对精准，会对实验结果产生一定影响；③加入乙酸乙酯时无法知道是否不小心将液体滴到了容器壁上，若有少量附在容器壁上则会造成很大的误差。（2）仪器误差：①本实验使用到的分析天平、碱式滴定管以及电导率仪等都存在一定的仪器误差，且误差会累积；②恒温槽并不能绝对恒温，温度在一定范围内浮动，由于乙酸乙酯的皂化反应速率随温度变化，因此会对实验结果造成一定影响；（3）系统误差①配好的NaOH溶液滴定时直接与空气接触，会吸收空气中的CO2等气体，导致滴定终点很难判断，微红的溶液静置半分钟后极易褪色，导致测得NaOH溶液浓度偏高；②乙酸乙酯加入前并没有预热，故反应初始阶段并非严格地在当前温度下进行的。乙酸乙酯的皂化反应是吸热反应，又由于温度的降低会导致电导率的降低，因此，在加入乙酸乙酯后开始的几分钟内，溶液的温度会不断降低，所测溶液的电导率也会剧烈变化。③刚加入乙酸乙酯到完全均匀混合还需要一段时间，因此刚加入乙酸乙酯溶液后的几分钟内，电导率仪的数据误差较大；3、实验总结实验得到的活化能实际值与理论值存在的较大的误差。可以看出，在T=25℃时的测量图像的线性拟合度不是很高，这也是产生偏差的主要原因，考虑主要是仪器误差的影响。不过实验结果与预期的二级反应的结果基本相符合，可以采用电导率法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数。通过本实验，我基本掌握了对二级反应的测定原理及方法，学会了电导率仪的使用，并对反应动力学的知识有了更深入的了解。【参考文献】《物理化学》傅献彩等著高等教育出版社《物理化学实验》崔献英等著中国科学技术大学出版社【附件】数据处理一、实验相关参数邻苯二甲酸氢钾的分子量：M=204.23乙酸乙酯溶液的密度为0.899~0.901g/mL,乙酸乙酯的分子质量88.11室温：23.2℃大气压：102.13kPa二、NaOH溶液浓度的标定表1NaOH溶液标定实验数据处理实验编号123邻苯二甲酸氢钾质量m（g）0.0380.03550.0393NaOH溶液用量V（ml）25.7525.3629.23NaOH溶液浓度c（mol/L）0.0072340.0068620.006591NaOH溶液浓度均值c平均（mol/L）0.006896其中VMmc/3321CCCC平均三、乙酸乙酯的反应体积取乙酸乙酯的平均密度为0.900g/mL,乙酸乙酯的分子质量88.11所以，乙酸乙酯的物质的量浓度LmolmolgLgMmC/21.10/13.88/1000900.01000已知NaOH溶液体积为100mL,所以乙酸乙酯体积为mLLmolLLmolCVCVNaOHNaOH06754.0/21.101.0/006896.0''实验中取乙酸乙酯0.07mL四、计算25℃时乙酸乙酯皂化反应的反应速率（1）恒温水浴准确温度：T=24.5℃=297.65K（2）L0的测定：由数据可得，L0=1760µs/cm（3）测定25℃时Lt随时间的变化（反应物起始浓度LmolCaNaOH/00527.0，测量的时间间隔△t=10s）表225℃Lt随时间变化实验数据处理（见实验8文件夹内表格文件）（4）以atLLt0对tL作图：图1atLLt0关于tL图像图2atLLt0关于tL拟合图像（去除杂点）由拟合数据可知，直线斜率为b=6.36036，直线截距为a=-3888.6407根据公式)(0LLkatLLtt，可得：25℃时乙酸乙酯皂化反应的反应速率ｋ＝6.3604dm-3/(mol*min)且此时有13869.61136036.66407.3888b-cmsaL五、计算30℃时乙酸乙酯皂化反应的反应速率（1）恒温水浴准确温度：T=29.6℃=302.75K（2）L0的测定：由数据可得，L0=1830µs/cm（3）测定30℃时Lt随时间的变化（反应物起始浓度LmolCaNaOH/00527.0，测量的时间间隔△t=10s）表330℃Lt随时间变化实验数据处理（见实验8文件夹内表格文件）（4）以atLLt0对tL作图：图3atLLt0关于tL图像图2atLLt0关于t