电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数

一.实验目的

1.掌握电导法测定反应速率常数的原理和方法；

2.了解二级反应的特点，学会用图解计算法求取二级反应的速率常数；

3.用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数，了解反应活化能的测定方法。

二.实验原理

乙酸乙酯皂化是一个二级反应,其反应式为：

反应速率方程为：

在反应过程中,各物质的浓度随时间而变。测定该反应体系组分浓度的方法很多，例如，可用标准酸滴定测出不同时刻OH-离子的浓度。本实验使用电导率仪测量皂化反应进程中体系电导值G随时间的变化，从而达到跟踪反应物浓度随时间变化的目的，进而可求算反应的速率常数。

若反应物和NaOH的初始浓度相同(均设为c)，设反应时间为t时，反应所产生的和的浓度为x，若逆反应可忽略，则反应物和产物的浓度时间的关系为：

t=0       c           c            0           0

t=t       c-x         c-x            x           x

t=∞     →0         →0           →c        →c

上述二级反应的速率方程可表示为：

               (1)

积分得：

 或             (2)

显然,只要测出反应进程中任意时刻t时的x值，再将已知浓度c代入上式，即可得到反应的速率常数k值.

因反应物是稀水溶液，故可假定全部电离。则溶液中参与导电的离子有Na⁺、OH^-和等，Na⁺在反应前后浓度不变，OH^-的迁移率比的大得多.随着反应时间的增加,OH^-不断减少，而不断增加,所以体系的电导值不断下降。在一定范围内，可以认为体系电导值的减少量与的浓度x的增加量成正比，即：

t=t      x=β(G₀ - G_t)        (3)

t=∞     c=β(G₀ - G_∞)        (4)

式中，G₀和G_t分别是溶液起始和t时的电导值， G_∞为反应终了时的电导值,β是比例系数。将(3)、(4)代入(2)得：

   (5)

据上式可知，只要测出G₀、G_∞和一组G_t值，据(5)式，由对t作图，应得一直线,从其斜率即可求得速率常数k值，k的单位为min^-1·mol^-1·L。

三.仪器与试剂

   DDSJ-308型数字电导率仪 1台            双管电导池                           1个

   移液管(10 mL)                      2支            DJS-1型铂黑电极                1支

   洗耳球                                   1只            NaOH(分析纯)                            

   CH₃COONa(分析纯)                              CH₃COOC₂H₅(分析纯)              

四.实验步骤

1.开启电导仪电源，预热。

2. G₀的测定

(1)将洗净的电导池用0.0100mol/L的NaOH溶液润洗三次后，倒入适量0.0100 mol/L NaOH溶液(以能浸没铂黑电极并高出1cm为宜)。

(2)用电导水洗涤铂黑电极，再用0.0100 mol/L 溶液淋洗,然后插入电导池中。

(3)在室温下测量溶液的电导值，每隔2 min测量一次，共3次，取平均值。

3.G_∞的测定                                            

实验测定中，不可能等到t → ∞，且反应也并不完全不可逆，通常将0.01 00mol/L 的CH₃COONa溶液的电导值作为G_∞，测量方法与G₀的测量方法相同。但必须注意，每次更换测量溶液时，须用电导水淋洗电极和电导池，再用被测溶液淋洗三次。

4.G_t的测定

(1)将双管电导池用电导水洗净后烘干，用待测溶液润洗电导池三次。

(2)用移液管量准确取20 mL 0.0200 mol/L NaOH溶液放入洗净并干燥的电导池的A管, 用另一支移液管吸取20 mL 0.0200 mol/L CH₃COOC₂H₅溶液注入电导池的B管中。

(3)将CH₃COOC₂H₅溶液快速倒入A管中，溶液倒入一半时，开始计时，并继续将剩余的溶液全部倒入A管，再将A管中的溶液倒入B管，如此反复几次，使溶液混合均匀，并立即测量溶液的电导值。

(4)记录第一个数据，然后每隔2 min测量一次，直至电导值基本不变为止。

(5)实验结束，关闭电导仪电源，洗净电导池和电极，将电极浸没在蒸馏水中。

5.反映活化能的测定

按上述操作步骤测定另一个温度时的反应速率常数，并按阿仑尼乌斯公式计算活化能。

           ln(k_2/k₁)=

式中k₁.k₂分别为温度T_1,T₂时测得的反应速率常数，R是摩尔气体常数，E为反应的活化能。

五.实验数据记录与处理

1、数据记录表

由实验所得直线的斜率为kc=0.0003，求得反应的速率常数k=0.03 L·mol^-1·min^-1

2、活化能的计算

R=8.314J/(molK);活化能E=20280J/mol

六.误差分析

实验所得反应速率常数与理论值有较大偏差，分析可能产生误差的原因有：

(1)由于空气中的CO₂会溶入电导水和配制的NaOH溶液中，使溶液浓度发生改变，从而导致测得的实验数据有误差。

(2)CH₃COOC₂H₅溶液和NaOH溶液故不是新鲜配制的，浓度可能发生变化而导致误差。

(3)实验计时不准确、仪器灵敏度下降或仪器示数不稳定时读数也可造成误差。

七.思考题

1、为何本实验要在恒温条件下进行，且NaOH和CH₃COOC₂H₅溶液在混合前还要预先恒温?

答：因为反应的速率常数与温度有关，如果温度不恒定，则速率常数不是定值，实验无法测定。

2、若氢氧化钠溶液和乙酸乙酯的起始浓度不相等，应如何计算k值？

答：需要重新推导其动力学方程式。设氢氧化钠溶液和乙酸乙酯溶液的起始浓度分别为a和b则其动力学方程式为式中x为t时刻产物的浓度。

3、如果两溶液均为浓溶液，能否用相同的方法求k值？为什么？

答：不能。因为实验原理成立的先决条件是电导与浓度成正比例关系，如果为浓溶液，则电导很低，试验将无法进行。

4、为什么氢氧化钠和乙酸乙酯的浓度必须足够低？

答：实验原理成立的先决条件是电导与浓度成正比例关系，而其中的比例系数K=∧_m/K_cell，若使K成为与浓度无关的常数，需将∧_m以∧_m^∞代替，则要求电解质的浓度足够稀。

 

第二篇：物理化学实验报告-蔗糖水解

化学化工学院

 学生姓名：刘纪磊

       学    号:  14101700483

 指导老师：张建策

         专业班级：10级化学师范班

实验三  蔗糖水解反应速度常数的测定

一、   实验目的

1、         根据物质的光学性质研究蔗糖水解反应，测定其反应速度常数。

2、         了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。

二、实验原理

蔗糖在水中转化成葡萄糖与果糖，其反应为：

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂OC₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

  (蔗糖)           (葡萄糖)   (果糖)

   速率方程可由下式表示：

—

c为时间t时的反应物浓度，k为反应速率常数。

积分可得：                    

 lnc=－kt + lnc₀

c₀为反应开始时反应物浓度。

反应的半衰期为：t_1/2=

蔗糖及其转化产物，都具有旋光性，而且它们的旋光能力不同，故可以利用体系在反应进程中旋光度的变化来度量反应进程。

当其它条件均固定时，旋光度α与反应物浓度c呈线性关系，即

α=Kc

设最初系统的旋光度为  α₀=K_反c_A,0 （t=0，蔗糖尚未水） （1）

最终系统的旋光度为  α_∞=K_生c_A,0 （t=∞，蔗糖已完全水解）（2）

当时间为t时，蔗糖浓度为c_A，此时旋光度为α_t

α_t= K_反c_A+ K_生(c_A,0－c_A)                               (3）

联立（1）、（2）、(3)式可得：

c_A,0==K^′（α₀－α_∞） (4)

c_A== K^′（α_t－α_∞） (5)

将（4）、（5）两式代入速率方程即得：

ln(α_t－α_∞)=－kt+ln（α₀－α_∞）

我们以ln(α_t－α_∞)对t作图可得一直线，从直线的斜率可求得反应速率常数k，进一步也可求算出t_1/2。

三、   仪器和试剂

仪器：型号为WZZ-1的自动指示旋光仪一台；移液管（25ml）2支；烧杯（150ml）2个；吸耳球1个；秒表1块；容量瓶（50ml）1个；锥形瓶（100ml）2个；

试剂：蔗糖（AR）；HCl溶液。

四、   实验步骤

1、         配制溶液

配制蔗糖溶液：用天平称取10克蔗糖放入烧杯中，加蒸馏水溶解后转移到50ml容量瓶中，稀释至刻度。

配制2mol/LHCl溶液：用移液管吸取一定量的浓HCl，加水稀释至2mol/L.

2、α_t 的测定

  用25ml移液管移取25ml蔗糖水溶液注入一锥形瓶，将HCl溶液倾倒至蔗糖溶液中，边放边振荡，当HCl溶液倒下同时按下秒表计时（注意：秒表一经启动，勿停直至实验完毕）。然后用两锥形瓶互相倾倒，使溶液混合均匀。用反应混合液将旋光管洗涤2-3次后，将反应混合液装满旋光管，擦净后放入旋光仪，测定规定时间的旋光度。分别记录从混合起4min、6min、8min、10min、15min、20min、30min、40min、50min、60min的旋光度。

3、α_∞的测定

  将剩余的反应混合物放入60-70℃恒温槽中加热30min，使反应充分后，冷却至室温后测定体系的旋光度。

4、试验结束后切记将旋光管内外用蒸馏水洗净，擦干，防止酸对旋光管和仪器的腐蚀。

   

五、数据处理

1、将实验数据记录与下表

室温： 24℃；大气压：998.6Kpa  ;HCl浓度： 2mol/L    ；反应温度： 25℃   ；α_∞： -1.697   。

 

    

2、以ln（α_t—α_∞）对t作图

Y = A + B * X

Parameter        Value             Error

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

A             3.19689          0.0143

B             -0.01066         4.6545E-4

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

R          SD           N              P

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

-0.99246   0.02768       10            <0.0001

3.由直线斜率求蔗糖水解反应的速率常数，并计算半衰期。

  由拟合直线可得直线的斜率为-0.01066，即k=0.01066s¹.

  t_1/2==0.693/0.01066=65.0232s

  据文献参考值可知k₂₉₈=0.01116，所以实验存在误差

  相对偏差=|0.01066-0.01116|/0.01116=4.48%