物理化学实验报告-乙酸乙酯皂化反应动力学研究

乙酸乙酯皂化反应动力学研究

摘要:本实验通过乙酸乙酯的皂化反应来研究化学反应动力学的规律。实验通过电导法测定乙酸乙酯的皂化反应体系中的电导率,由此计算反应的速率常数及其活化能,同时了解具有简单级数的化学反应的动力学特征。

关键词:皂化反应、电导率、反应速率常数、活化能

Research of Ethyl Acetate’s Saponification Reaction for Dynamics

Abstract: In this experiment, we calculate the Rate constant of the saponification reaction by using method of measuring Electrolytic conductance, and then calculate the activation energy of the reaction. According to the research, we find some regulates for dynamics.

Key Words: activation energy, Electrolytic conductivity, Rate constant, saponification reaction

1. 序言

化学动力学是研究化学反映过程的速率和反应机理的物理化学分支学科,它的研究对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系。本实验通过乙酸乙酯的皂化反应来初探化学反应动力学的一些相关性质和规律。

乙酸乙酯皂化反应是一个在化学和工业应用上均有着重大意义的有机反应,而反应速率常数是化学反应一个重要的动力学参数。本实验采用物理方法,通过测定不同时刻溶液的电导率来得到反应各物质的浓度,进而确定反应速率常数,并进一步计算出该反应的活化能。

2. 实验部分

2.1 实验仪器与试剂

DDS7-308型电导率仪

JB—1B型磁力搅拌器

CS501型超级恒温槽             

5mL移液管(1个),100mL移液管(1个),50mL的烧杯(1个),50mL滴定管(1个),

250mL锥形瓶(3个);    

秒表;                 

CH3COOC2H5试剂(分析纯),NaOH(分析纯),酚酞指示剂溶液。

2.2 实验步骤

1)在室温下对配制好NaOH溶液进行滴定,重复三次以上,取平均值;

2)将恒温槽温度调在30.00℃,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1分钟读取一次数据,测定三个平行的数据;

3)完成L的测定后,使用5mL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,读数平稳变化后,尽快测量第一组数据,以后每隔1分钟读一次数,15分钟后每隔2分钟读一次数,进行到35分钟后结束;

4)按步骤2、3在35.00℃下进行测量。

2.3 注意事项

1)NaOH溶液会吸收空气中的CO2,所以当配置好NaOH溶液后,应马上进行滴定并马上开始实验,否则会导致NaOH的浓度发生变化而影响实验结果;

2)NaOH溶液和乙酸乙酯混合之前应该先恒温,以减小温度变化对实验的结果的影响;

3)取少量的乙酸乙酯的时候应该格外小心,当把乙酸乙酯加到一半时应该立即计时,同时应该避免把乙酸乙酯弄到器壁上而使得乙酸乙酯用量发生改变,影响其浓度;

4)小磁子要在中心处旋转起来,使反应物质充分接触。

3. 结果与讨论

3.1 实验结果

反应速率常数K (30℃) = =9.71(L/mol?min);K (35℃) = 12.90(L/mol?min)

活化能Ea=45.29 kJ/mol

相对误差(51.47-45.29)/ 51.47=12.0%

3.2 误差分析

①本实验的数据处理方法是造成结果较大误差的根本原因。

1)在导出这个公式时,我们假定溶液较稀,CH3COONa完全电离,这是一种较简单的近似。而实际实验过程中,CH3COONa不能完全电离,还是会存在一定未电离的CH3COONa分子,NaOH的浓度与电导率之间有着更为复杂的关系。

2)运用本实验提供的方法我们需要测出反应体系的初始电导率。在实际的实验操作中,L0的测定和L一样,是单独配制溶液测定的。很显然,测定G0与测定G 的反应液不属于同一体系,所测定的G对于反应体系而言有着不可避免的系统误差。G0的测定误差将会影响到数据处理的精度。

②实验操作中易产生误差。

1)实验过程中将乙酸乙酯添加到实验仪器时,可能有少许乙酸乙酯粘在器璧上而使得实验时的浓度与计算所用浓度不符。

2)实验过程中使用乙酸乙酯的量很少,因此在取溶液的过程很容易造成较大的误差。

③滴定时造成的误差。

放置的NaOH溶液会吸收空气中的CO2变成Na2CO3,而使得滴定时的NaOH浓度和实验过程中使用的NaOH的浓度略有不同。滴定也存在误差,如读数的误差。

④其他的系统误差:如恒温槽有轻微的温度波动,电导仪老化等。

3.3 讨论与思考

(1)关于实验结果和拟合曲线的讨论

①       在反应开始的一段时间内,曲线上的点了偏离了拟合曲线一些,这可能是因为反应的开始阶段,反应速率较快,反应物未充分混合,各处浓度不完全一致,得电导率不大稳定。又因本反应为吸热反应,开始时温度会有所降低,起始段的数据反映的是略低温度下的k值,这点从拟合图中也可以清楚地看到。

②       我们在不同温度下都得到了线性程度较好的直线,说明乙酸乙酯的皂化反应为二级反应。

(2)实验改进

从误差分析中,我们知道虽然该法步骤简单、数据容易处理,但会带来极大的误差,我们可以从下面几个方面对实验进行改进:

1)  采取精确精算的方法,考虑CH3COONa的不完全电离。

测出Lt后利用上面两式计算出t时间时体系中NaOH浓度,再由(C0-C)/C0C对t作n拟合直线,从斜率得到反应速率常数。

2)  对拟合式进行改进。

进行变形:

进行拟合,这样可消除L0的误差影响。

3)采取其他一些非线性拟合的办法。

(3)心得体会

本实验是物化实验中第一次接触化学动力学的内容,通过测定得出了乙酸乙酯酯化反应的两个重要的参数化学反应速率常数和活化能。我从实验中学到了化学动力学的一般实验研究的原则和方法:动力学研究中,应选择反应前后变化非常显著的物理量,测的物质浓度成线性关系的特征物质量为最佳;准确进行动力学测量,必须在恒温条件下进行。

参考文献

[1] 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验[M].中国科技大学出版社,2000: 29~32.

[2] 付献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.《物理化学》(第五版)下册[M].南京大学化学化工学院,高等教育出版社,2005.

[3] 凌锦龙.乙酸乙酯皂化反应实验数据处理方法的改进[J]. 通化师范学院学报,2005,26(2),49~51.

[4]陈小立,李国维.电导法测乙酸乙酯皂化反应的动力学数据处理[J]. 纺织高校基础科学学报,,2000,13(2),168~170.

附件:实验数据处理

1.     数据记录

Table A1.NaOH溶液的滴定数据

T1=29.95℃

L0 :1390 /1390/ 1390,平均1390。

Table A2.

T2=34.90℃

L:13481346/1346,平均1347。

Table A3

2.     数据处理

2.1 数据计算

Table A4

Table A5

2.2反应速率常数和活化能的计算

Fig A1. 29.95℃时的关系图

Parameter       Value      Error

------------------------------------------------------------

A     -25.45276       2.09813

B     0.05391   0.00203

------------------------------------------------------------

R     SD   N     P

------------------------------------------------------------

0.98413   1.58763   25    <0.0001

Fig A2. 34.90℃时的关系图

Parameter       Value      Error

------------------------------------------------------------

A     -34.15461       3.34901

B     0.0712    0.00348

------------------------------------------------------------

R     SD   N     P

------------------------------------------------------------

0.9736    2.69723   25    <0.0001

K (30℃) =B1/C [NaOH] =0.05391/5.5518*10-3=9.71(L/mol?min)

K (35℃) =B2/C [NaOH] = 0.0712/5.5518*10-3= 12.90(L/mol?min)

T1=29.95℃=303.1K,T2 = 34.90℃ = 308.05K

由阿累尼乌斯公式:

得活化能Ea=45.29kJ/mol

 

第二篇:物理化学实验报告 乙酸乙酯皂化反应动力学

乙酸乙酯皂化反应动力学

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、实验原理

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:

++

反应式是二级反应,反应速率与的浓度成正比。用分别表示乙酸乙酯和氢氧化钠的初始浓度,表示在时间间隔内反应了的乙酸乙酯或氢氧化钠的浓度。反应速率为:

为反应速率常数,当 时,上式为:

反应开始时,反应物的浓度为,积分上式得:

在一定温度下,由实验测得不同时的值,由上式可计算出值。

改变实验温度,求得不同温度下的值,根据Arrhenius方程的不定积分式有:

作图,得一条直线,从直线斜率可求得

若求得热力学温度时的反应速率常数,也可由Arrhenius方程的定积分式变化为下式求得值:

本实验通过测量溶液的电导率代替测量生成物浓度(或反应物浓度)。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。反应前后离子浓度不变,整个反应过程电导率的变化取决于浓度的变化,溶液中的导电能力约为的五倍,随着反应的进行,浓度降低,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,为溶液在时的电导率,分别是与 电导率有关的比例常数,于是:

;

;

;

由此得

  即 

   即 

上式变形为:       

作图为一直线,斜率为,由此可求出

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·

四、  实验步骤

1.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0,1771g,定容待用。

3) 经过计算,定容后的乙酸乙酯的浓度为0.02010mol·L-1,配置同浓度的NaOH所需0.04000 mol·L-1的NaOH体积为50.25ml,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25ml NaOH溶液于50ml容量瓶中,定容待用。

2.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,读取此时电导率。保留叉形管中溶液,用于35℃测量k0

3.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侧管中,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,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=0.1771g,

乙酸乙酯的浓度为

配制同配置同浓度的NaOH所需0.04000 mol·L-1的NaOH体积为:

实验记录电导率数值如下:

分别做25℃、35℃下以对t作图得到如下图像:

从图像上可以看出来与t呈现反相关,符合的基本趋势,故接下来做25℃、35℃下以的图像,并进行直线拟合,图像如下:

25℃  - 图像

35℃下 - 图像

可见呈现线性关系。并且:。故可以求得

由Arrhenius方程的定积分式得:

/mol

六、数据误差分析

常温下乙酸乙酯皂化反应的活化能与实际测算得相差较大。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0.04000 mol·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。

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,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。

3)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。


相关推荐