实验9_乙酸乙酯皂化反应速率常数测定.pdf

乙酸乙酯皂化反应速率常数乙酸乙酯皂化反应速率常数测定测定 1 引言引言 1 1 实验目的实验目的 1 学习测定化学反应动力学参数的一种物理化学分析方法 电导法 2 了解二级反应的特点 学习反应动力学参数的求解方法 加深理解反应动力学 特征 3 进一步认识电导测定的应用 熟练掌握电导率仪的使用方法 1 2 实验原理实验原理 乙酸乙酯的皂化反应是一个典型的二级反应 CH3COOC2H5 NaOH CH3COONa C2H5OH t 0 c0 c0 0 0 t t c0 x c0 x x x t 0 0 c0 c0 其速率与浓度的方程式可以写成 d d 2 2 积分可得 1 1 0 2 用上面的记号表示 2 1 0 0 而反应速率与温度的关系可以用阿伦尼乌斯经验方程式来表示 ln ln 本实验使用电导法测量皂化反应进程中电导率随时间的变化 在稀溶液中 0 1 0 2 0 1 0 2 其中 1与 2是与温度 溶剂和电解质性质有关的比例常数 由上面三式可以得到生 成物浓度 0 0 0 代入速率方程 2 0 0 记录溶液电导率随时间的变化情况 就可以求出反应的速率常数 进而求出活化能 2 实验操作实验操作 2 1 实验用品 仪器实验用品 仪器及及装置装置 雷磁 DDSJ 308A 型电导率仪一台 CK 1 B 温度测量控制仪 D 8401W 多功能电 动搅拌器 混合反应器 3 个 电导管 2 个 20 mL 移液管 2 支 0 2 mL 移液管 2 支 100 mL 容量瓶 1 个 洗耳球一个 0 01501 mol L 1 NaOH 标准溶液 0 01 mol L 1 NaAc 溶液 乙酸乙酯 AR 新鲜去 离子水或煮沸蒸馏水 反应装置如图 2 1 所示 图 2 1 混合反应器示意图 2 2 实验条件实验条件 实验温度 17 4 C 大气压 102 0 kPa 湿度 26 2 3 实验操作实验操作 1 配置乙酸乙酯溶液 配置与氢氧化钠标准溶液相同的乙酸乙酯溶液 100 mL 乙 酸乙酯的密度根据下式计算 g L 1 924 54 1 168 t C 1 95 10 3 t C 2 配制方法如下 在 100 mL 容量瓶中装 2 3 体积的水 用 0 2 mL 刻度移液管吸 取所需乙酸乙酯的体积 滴入容量瓶中 加水至刻度 混匀待用 2 仪器和药品准备 检查仪器药品 接通电源 设定恒温槽温度为 20 C 并打开 接口设备电源 接通计算机电源 点击数据采集界面准备采集 3 测量 将反应器置于恒温槽中 用 20 mL 移液管移取氢氧化钠标准溶液于 1 池 中 再移取 20 mL 乙酸乙酯溶液于 2 池中 将电导电极插入 2 池 恒温约 10 min 点击数据采集界面中的开始按钮 用洗耳球使 1 2 池中溶液混合 重复 混合3 5次以上 直到电导率数值不再有明显的变化 表示溶液已经混合均匀 约 20 min 后即可停止实验 取适量醋酸钠溶液于干净的电导管中 插入电导电极 恒温后测定醋酸钠溶液 的电导率 应多次测量 直到显示数据没有太大变化为止 升高温度约 3 C 重复以上步骤测定反应电导率的变化 共测 3 组曲线 2 4 注意事项注意事项 1 一定要确保恒温 2 控温器示数末位跳跃不影响控温效果 升温过程中注意加热功率先大后小 不要超过设定温度 控温器示数可能会波动 一段时间后会稳定在设定值附近 3 不可以敞口放置 NaOH 以防吸收空气中的 CO2 使其浓度变化 4 反应中反应器与电导率管都应有胶塞覆盖 防止实验过程中溶液水分蒸发影响 反应液浓度 5 混合过程要快速 充分 不要将溶液挤出混合器 6 更换反应液过程中要把电导率电极清洗干净 但不可擦拭内部镀有铂黑的部分 防止损坏电极 7 采集数据过程中尽量避免对计算机进行其他操作 3 结果与结果与讨论讨论 3 1 原始原始实验数据实验数据 使用计算机记录数据 在不同温度下反应进程中电导率 时间关系如图 3 1 图 3 2 和图 3 3 图 3 3 中有一组异常数据 0 500 1000 1500 2000 020040060080010001200 S cm t s 图3 1 24 10 下的原始数据 3 2 计算结果计算结果 选择上面三条曲线中线性较好的部分 按照速率方程 0 0 进行拟合 得到速率常数 24 10 C 0 09168 27 35 C 0 10715 29 30 C 0 11040 依据公式 ln ln 进行拟合 求得乙酸乙酯皂化反应的活化能为 27 65 kJ mol 500 0 500 1000 1500 2000 2500 020040060080010001200 S cm t s 图3 2 27 35 下的原始数据 0 500 1000 1500 2000 2500 020040060080010001200 S cm t s 图3 3 29 30 下的原始数据 3 3 讨论分析讨论分析 24 10 C 27 35 C 29 30 C 下 线性拟合的拟合度 r2分别为 0 99772 0 99930 0 99907 拟合程度都较高 说明将乙酸乙酯皂化反应视作二级反应是一个较好的 模型 虽然数据采集过程中并未对计算机有其他操作 但三条原始图线上分别出现了拐 点 跳跃 异常峰值的问题 可能是电导率仪传输信号中出现错误 这可能对反应 速率的计算带来极大的误差 在数据处理过程中避开了这些异常点 但是异常点前 后的斜率仍有不同 从图线中可以看出 电导率 时间关系的二次导数始终为负 也就是说乙酸乙酯皂 化反应并不是理想的二级反应 随着时间的进行 皂化反应的逆过程对反应速率也 有影响 所以在求反应速率常数时 选取的线性拟合区间不同 结果的误差甚至可 以高达 10 由于只测了 3 组曲线 所以其中任意一个反应速率常数上的误差都 会显著的影响最终活化能的结果 这是导致本实验误差的很重要的因素 4 结论结论 本次实验测定了在三个温度下乙酸乙酯的皂化反应中电导率随时间的变化关系 根据数 据计算出在相应温度下乙酸乙酯皂化反应的速率常数 并根据阿伦尼乌斯方程计算出乙 酸乙酯皂化反应的活化能 5 参考文献参考文献 1 贺德华 麻英 张连庆 基础物理化学实验 北京 高等教育出版社 2008 33 35 6 附录附录 思考题 1 配制乙酸乙酯溶液时 为什么在容量瓶中要先加入部分蒸馏水 纯乙酸乙酯挥发很快 先加入一些蒸馏水 再加乙酸乙酯 形成溶液后乙酸乙酯饱 和蒸汽压下降 挥发的比较慢 减少损失降低误差 2 为什么乙酸乙酯和 NaOH 溶液浓度必须足够稀 请推导出 0 A1c0中 A1的表达式 从而说明其为常数的条件 足够稀的溶液中正负离子相互不干扰 可以完全自由活动 电导率才会和浓度成正 比 A1 0 c0 u u F 其中 F 是法拉第常数 u 和 u 分别是正负离子的电迁移率 温 度对电迁移率有影响 所以对于同样的溶液 当恒温时 A1才是常数 3 若配制溶液时用的不是去离子水 电导管和混合器未洗干净 对实验结果有影响 理想情况下如果在反应前测出含杂质离子的体系的空白电导率 在实验中的电导 率数据里均减掉这一电导率 仍然可以得到正确结果 但实际上杂质离子可能对体 系中的离子的电导率产生影响 并非简单加和关系 所以还是需要使用去离子水并 清洗反应容器 4 预先单独用 NaOH 溶液来调整电导率仪有何作用 使电导率仪的初始读数和反应体系反应之前的电导率相仿 实际实验中没有这样 处理 5 混合反应器设计思想是什么 请提出其他的混合方法 待反应溶液在混合之前就处于同一恒温水浴中 使用洗耳球吹气将氢氧化钠溶液 挤到乙酸乙酯溶液中 二者可以混合均匀 待溶液电导率不随挤压动作跃升时可以 认为已经均匀 还可以使用在注射器中加入所需 NaOH 溶液 在水浴中恒温 需要反应时将 NaOH 溶液注射到乙酸乙酯溶