Stała szybkości reakcji jodowania acetonu, Magdalena Jabłońska


Robert Maniura

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 29: Stała szybkości reakcji jodowania acetonu.

  1. Wstęp teoretyczny:

Katalizatorami nazywamy substancje przyśpieszające reakcje chemiczne, pozostające w niezmienionej ilości po zakończeniu reakcji. Charakterystyczne jest przy tym, że bardzo małe ilości substancji katalitycznej, w porównaniu z ilościami substratów, mogą mieć silny wpływ na szybkość reakcji.

Dość rozpowszechnione są reakcje, w których produkt jest katalizatorem. Na przykład w reakcji jodowania acetonu jednym z produktów jest jodowodór, który jako mocny kwas - przyspiesza enolizację acetonu; dopiero forma enolowa acetonu podlega reakcji jodowania. Ogólne wyrażenie na szybkość reakcji autokatalitycznej ma postać:

0x01 graphic
gdzie k1 jest stałą szybkości reakcji bez katalizatora, a k2 stałą szybkości z udziałem katalizatora; przy czym p jest liczbą cząsteczek produktu uczestniczących w elementarnej przemianie katalitycznej, n jest rzędem reakcji, a - stężeniem początkowym reagenta (dla prostoty założono tylko jeden reagent), x - stężeniem produktu. Najczęstszym przypadkiem jest taki, gdy p = 1, a k1 jest bardzo małe, tzn. reakcja bez katalizatora przebiega bardzo powoli. Jest to przypadek tzw. prostej autokatalizy.

Równanie kinetyczne ma wówczas postać:

0x01 graphic

W konkretnym przypadku jodowania acetonu reakcja jest pierwszego rzędu, tzn. jej szybkość zależy tylko od stężenia acetonu

0x01 graphic

Całkowanie tego równania prowadzi do następującego równania kinetycznego:

0x01 graphic
gdzie x0 oznacza stężenie produktu w chwili rozpoczęcia pomiarów. Jeżeli na początku reakcji dodamy do roztworu pewną ilość mocnego kwasu(niech jego stężenie wyniesie b), to równanie kinetyczne ma postać:

0x01 graphic

Po scałkowaniu otrzymujemy ostateczne wyrażenie, często wykorzystywane w praktyce lub po przeliczeniu na logarytm dziesiętny;

0x01 graphic
0x01 graphic

Reakcja autokatalityczna w swym okresie początkowym tzw. indukcyjnym przebiega bardzo powoli, i dopiero w miarę tworzenia się produktu, jej szybkość zaczyna wzrastać. Szybkość reakcji katalitycznej w okresie początkowym można zwiększyć, wprowadzając do układu pewną ilość produktu katalizującego reakcję. Przykładami reakcji katalitycznych są: zmydlanie estru etylowego kwasu octowego w roztworze obojętnym katalizowane powstającym kwasem octowym, utlenianie nadmanganianem katalizowane powstającym Mn2+.

  1. Opracowanie wyników:

Aby obliczyć stałą szybkości reakcji autokatalizy acetonu korzystam z następującej zależności:

0x01 graphic
gdzie: b - stężenie początkowe kwasu (wzięto1n HCl, który został rozcieńczony 10 - krotnie, a więc b = 0,1 mol/dm3 ); a - stężenie początkowe acetonu: gęstość acetonu w temperaturze 22oC= 0,7844 g/cm3; objętość acetonu = 4 cm3; Macetonu = 58,08 g/mol

d = m./V ⇒ m.= d * V

m.= 0,7844g/cm3* 4cm3 = 3,1376 g

C mol = n / V = m / (M*V) = 3,1376/(58,08 * 0,25) = 0,2161 [mol/dm3]

A więc wartość „a”: a = 0,2161 mol/dm3

Stężenie przereagowanego acetonu obliczam z zależności:

0x01 graphic
gdzie: V0 - objętość roztworu Na2S2O3 użytego do odmiareczkowania jodu na początku reakcji; Vt - objętość roztworu Na2S2O3 użytego do odmiareczkowania jodu po upływie czasu „t” od rozpoczęcia reakcji; N - normalność roztworu Na2S2O3 - ( 0,01n).

Na podstawie podanych zależności obliczam stężenie oraz stałą szybkości reakcji jodowania acetonu. Rezultaty obliczeń zostały umieszczone w tabeli.

t [min]

t [s]

V Na2S2O3 [cm3]

x [mol/dm3]

0x01 graphic

k [s-1]

0

0

24,7

0,000000

7,3

450

23,25

0,000290

4,24E-03

6,86E-05

19

1140

21,1

0,000720

1,05E-02

6,72E-05

32

1920

19,15

0,001110

1,62E-02

6,14E-05

51

3060

15

0,001940

2,82E-02

6,72E-05

78

4680

10,5

0,002840

4,12E-02

6,42E-05

107

6420

4,6

0,004020

5,82E-02

6,60E-05

121

7260

2,05

0,004530

6,55E-02

6,57E-05

Na podstawie uzyskanych rezultatów obliczam wartość średnią szybkości reakcji. Wartość średnia szybkości reakcji: kśr = 6,500x01 graphic
[s-1]

W przypadku małej liczby pomiarów średnia może różnić się dość znacznie od wartości prawdziwej. Dlatego wygodniej jest wtedy określić przedział, w którym wartość rzeczywista znajduje się z dużym prawdopodobieństwem. Taki przedział nazywamy przedziałem ufności.

Wyznaczam przedział ufności dla prawdopodobieństwa 95% (p = 0,95 ; α = 0,05)

μ = X + t * s gdzie: X - średnia arytmetyczna; t - wartość funkcji Studenta, wartość współczynnika „t” dla prawdopodobieństwa 95% (dla 7 pomiarów).

t = 2,447 dla K = n - 1 = 7 - 1 = 6

s - odchylenie standardowe średniej arytmetycznej, obliczane ze wzoru:

s = 0x01 graphic
gdzie: xi - kolejne wyniki; x - średnia arytmetyczna wyników; n - ilość wyników (n=5).

s = 0x01 graphic
0x01 graphic

Obliczony przedział ufności dla stałej szybkości reakcji jodowania acetonu:

k = 0x01 graphic
[ s-1]

Następnie wykreślam wykres zależności 0x01 graphic
od czasu t [s].

0x01 graphic

Metodą regresji liniowej wyznaczam k:

y = a1x + b1 a1 =0x01 graphic
b1 = 0x01 graphic

Błędy :

x=t[s]

y=0x01 graphic

x2

y2

450

4,24E-03

202500

1,8E-05

1140

1,05E-02

1299600

1,1E-04

1920

1,62E-02

3686400

2,6E-04

3060

2,82E-02

9363600

8,0E-04

4680

4,12E-02

21902400

1,7E-03

6420

5,82E-02

41216400

3,4E-03

7260

6,55E-02

52707600

4,3E-03

0x01 graphic
= 24930; 0x01 graphic
= 0,224; 0x01 graphic
= 130378500; 0x01 graphic
= 6,20x01 graphic
; 0x01 graphic
= 1173,3715;

a'=0x01 graphic
= 9,020x01 graphic
; b'=0x01 graphic
= -1,250x01 graphic

yi'

d = (yi - yi')

d2

0,00394

-0,00030

9,18E-08

0,01016

-0,00035

1,22E-07

0,01720

0,00101

1,02E-06

0,02749

-0,00074

5,55E-07

0,04211

0,00087

7,61E-07

0,05781

-0,00038

1,47E-07

0,06539

-0,00010

1,05E-08

0x01 graphic
=2,71E-06;

Sb' =0x01 graphic
Sb' = 4,930x01 graphic

Sa' =0x01 graphic
Sa' = 1,140x01 graphic

Obliczam k z zależności k od współczynnika a, który mam z zależności liniowej y = a1x +b a1 =0x01 graphic

0x01 graphic
0x01 graphic
= kt (a + b) z tego wynika, że 2,303a1 = k(a + b)

k = 2,303a1/(a + b) (gdzie a - stężenie HCl; b - stężenie acetonu), czyli:

k = 0x01 graphic
/(0,2161 + 0,1) = 6,570x01 graphic
[s-1]

  1. Wnioski:

Przeprowadzone doświadczenie miało na celu sprawdzenie czy reakcja jodowania acetonu ma charakter autokatalityczny. Uzyskane wyniki potwierdzają tezę, iż reakcja jodowania acetonu ma autokatalityczny charakter i jest katalizowana kwasem oraz, że pierwszym etapem przemiany jest enolizacja acetonu (pod wpływem kwasu). Graficzny obraz reakcji jodowania acetonu wskazuje na liniową zależność, co potwierdza powyższe wnioski. Głównym źródłem błędów były niedokładności związane z pomiarem objętości cieczy, czy to użytego do przeprowadzenia reakcji roztworu jodku potasu, acetonu i kwasu solnego jak również użytego do miareczkowania roztworu tiosiarczanu sodu.

Stałą szybkości jodowania acetonu wyznaczyłem dwoma sposobami: wartość obliczona k = 0x01 graphic
[ s-1 ] i wartość wyznaczona metodą regresji liniowej k = 6,570x01 graphic
0,010x01 graphic
[s-1]. Wyznaczone w różny sposób stałe szybkości reakcji jodowania acetonu różnią się nieznacznie, co dodatkowo świadczy o słuszności zastosowanej metodyki pomiarowej.

1



Wyszukiwarka