Dawid Jagieła

II ChPiS

Ćwiczenie nr 5

Badanie kinetyki zasadowej hydrolizy estru

Wstęp teoretyczny:

Szybkość reakcji - zdefiniowaną jako pochodna funkcji rozkładu stężeń substratów

lub produktów w czasie - opisuje ilościowo równanie kinetyczne. Szczególna postać tego

równania wynika ze stechiometrii reakcji chemicznej. W każdym jednak równaniu występują

dwie charakterystyczne wielkości: stała szybkości i rząd reakcji. W poniższym ćwiczeniu wartości te wyznaczamy konduktometrycznie, mierząc zmianę przewodnictwa wynikającą z ubytku jonów OH^- i zastępowania ich jonami CH₃COO^-, których przewodnictwo jest parokrotnie mniejsze.

CH₃COOC₂H₅ + OH^- CH₃COO^- + C₂H₅OH

Prezentacja wyników:

Rząd reakcji wyniósł:

Stała szybkości wyniosła:

Tabela pomiarowa dla 1 pomiaru (0,1 ml estru)

Lp.	Czas [s]	λ [mS]	κ [mS·cm^-1]
1	0	9.64	2.05
2	15	9.61	2.04
3	30	9.59	2.04
4	45	9.53	2.03
5	60	9.45	2.01
6	75	9.34	1.99
7	90	9.23	1.96
8	105	9.15	1.95
9	120	9.1	1.94
10	135	9.01	1.92
11	150	8.93	1.90
12	165	8.86	1.88
13	180	8.75	1.86
14	195	8.71	1.85
15	210	8.63	1.84
16	225	8.56	1.82
17	240	8.52	1.81
18	255	8.42	1.79
19	270	8.37	1.78
20	285	8.33	1.77
21	300	8.26	1.76
22	315	8.19	1.74
23	330	8.11	1.72
24	345	8.08	1.72
25	360	8.01	1.70
26	375	7.96	1.69
27	390	7.9	1.68
28	405	7.85	1.67
29	420	7.82	1.66
30	435	7.78	1.65
31	450	7.7	1.64
32	465	7.66	1.63
33	480	7.62	1.62
34	495	7.56	1.61
35	510	7.52	1.60
36	525	7.49	1.59
37	540	7.44	1.58
38	555	7.41	1.58
39	570	7.36	1.57
40	585	7.3	1.55
41	600	7.29	1.55
42	615	7.23	1.54
43	630	7.21	1.53
44	645	7.18	1.53
45	660	7.14	1.52
46	675	7.08	1.51
47	690	7.07	1.50
48	705	7.03	1.50
49	720	6.97	1.48
50	735	6.95	1.48
51	750	6.92	1.47
52	765	6.89	1.47
53	780	6.88	2.05
54	795	6.82	2.04
55	810	6.81	2.04
56	825	6.77	2.03
57	840	6.74	2.01
58	855	6.71	1.99
59	870	6.69	1.96
60	885	6.66	1.95
61	900	6.63	1.94
62	915	6.62	1.92
63	930	6.56	1.90
64	945	6.55	1.88
65	960	6.51	1.86
66	975	6.48	1.85
67	990	6.47	1.84
68	1005	6.43	1.82
69	1020	6.43	1.81
70	1035	6.37	1.79
71	1050	6.37	1.78
72	1065	6.36	1.77
73	1080	6.33	1.76
74	1095	6.3	1.74
75	1110	6.29	1.72
76	1125	6.28	1.72
77	1140	6.25	1.70
78	1155	6.22	1.69
79	1170	6.21	1.68
80	1185	6.17	1.67
81	1200	6.17	1.66
82	1215	6.14	1.65
83	1230	6.11	1.64
84	1245	6.11	1.63
85	1260	6.1	1.62
86	1275	6.07	1.61
87	1290	6.04	1.60
88	1305	6.02	1.59
89	1320	6.02	1.58
90	1335	5.99	1.58
91	1350	5.96	1.57
92	1365	5.96	1.55
93	1380	5.95	1.55
94	1395	5.92	1.54
95	1410	5.92	1.53
96	1425	5.88	1.53
97	1440	5.88	1.52
98	1455	5.87	1.51
99	1470	5.84	1.50
100	1485	5.84	1.50

Tabela pomiarowa dla 2 pomiaru (0,2 ml estru)

Lp.	Czas [s]	λ [mS]	κ [mS·cm^-1]
1	0	9.78	2.08
2	15	9.75	2.07
3	30	9.71	2.07
4	45	9.64	2.05
5	60	9.56	2.03
6	75	9.46	2.01
7	90	9.34	1.99
8	105	9.23	1.96
9	120	9.11	1.94
10	135	8.97	1.91
11	150	8.81	1.87
12	165	8.68	1.85
13	180	8.56	1.82
14	195	8.45	1.80
15	210	8.34	1.77
16	225	8.22	1.75
17	240	8.11	1.72
18	255	8.01	1.70
19	270	7.90	1.68
20	285	7.82	1.66
21	300	7.70	1.64
22	315	7.62	1.62
23	330	7.52	1.60
24	345	7.44	1.58
25	360	7.36	1.57
26	375	7.26	1.54
27	390	7.22	1.54
28	405	7.11	1.51
29	420	7.03	1.50
30	435	6.96	1.48
31	450	6.89	1.47
32	465	6.82	1.45
33	480	6.77	1.44
34	495	6.70	1.43
35	510	6.63	1.41
36	525	6.56	1.40
37	540	6.51	1.38
38	555	6.47	1.38
39	570	6.37	1.35
40	585	6.33	1.35
41	600	6.29	1.34
42	615	6.22	1.32
43	630	6.17	1.31
44	645	6.14	1.31
45	660	6.10	1.30
46	675	6.03	1.28
47	690	5.99	1.27
48	705	5.96	1.27
49	720	5.92	1.26
50	735	5.87	1.25
51	750	5.81	1.24
52	765	5.78	1.23
53	780	5.73	1.22
54	795	5.70	1.21
55	810	5.66	1.20
56	825	5.63	1.20
57	840	5.61	1.19
58	855	5.55	1.18
59	870	5.52	1.17
60	885	5.47	1.16
61	900	5.44	1.16
62	915	5.43	1.15
63	930	5.40	1.15
64	945	5.36	1.14
65	960	5.32	1.13
66	975	5.29	1.13
67	990	5.26	1.12
68	1005	5.25	1.12
69	1020	5.21	1.11
70	1035	5.18	1.10
71	1050	5.17	1.10
72	1065	5.14	1.09
73	1080	5.11	1.09
74	1095	5.10	1.08
75	1110	5.06	1.08
76	1125	5.03	1.07
77	1140	5.03	1.07
78	1155	5.02	1.07
79	1170	4.98	1.06
80	1185	4.92	1.05
81	1200	4.91	1.04
82	1215	4.89	1.04
83	1230	4.87	1.04
84	1245	4.85	1.03
85	1260	4.83	1.03
86	1275	4.81	1.02
87	1290	4.79	1.02
88	1305	4.77	1.01
89	1320	4.76	1.01
90	1335	4.74	1.01
91	1350	4.72	1.00
92	1365	4.70	1.00
93	1380	4.68	1.00
94	1395	4.67	0.99
95	1410	4.65	0.99
96	1425	4.64	0.99
97	1440	4.63	0.98
98	1455	4.61	0.98
99	1470	4.59	0.98
100	1485	4.58	0.97

Tabela pomiarowa dla 3 pomiaru (1 ml estru)

Lp.	Czas [s]	λ [mS]	κ [mS·cm^-1]
1	0	9.71	2.07
2	15	9.64	2.05
3	30	9.53	2.03
4	45	9.34	1.99
5	60	9.15	1.95
6	75	8.97	1.91
7	90	8.75	1.86
8	105	8.52	1.81
9	120	8.34	1.77
10	135	8.08	1.72
11	150	7.82	1.66
12	165	7.56	1.61
13	180	7.30	1.55
14	195	7.03	1.50
15	210	6.81	1.45
16	225	6.55	1.39
17	240	6.30	1.34
18	255	6.07	1.29
19	270	5.84	1.24
20	285	5.62	1.20
21	300	5.40	1.15
22	315	5.21	1.11
23	330	5.03	1.07
24	345	4.85	1.03
25	360	4.69	1.00
26	375	4.55	0.97
27	390	4.43	0.94
28	405	4.32	0.92
29	420	4.22	0.90
30	435	4.13	0.88
31	450	4.06	0.86
32	465	4.00	0.85
33	480	3.94	0.84
34	495	3.89	0.83
35	510	3.85	0.82
36	525	3.81	0.81
37	540	3.77	0.80
38	555	3.75	0.80
39	570	3.73	0.79
40	585	3.70	0.79
41	600	3.68	0.78
42	615	3.66	0.78
43	630	3.65	0.78
44	645	3.63	0.77
45	660	3.62	0.77
46	675	3.61	0.77
47	690	3.61	0.77
48	705	3.60	0.77
49	720	3.60	0.77
50	735	3.59	0.76
51	750	3.58	0.76
52	765	3.58	0.76
53	780	3.57	0.76
54	795	3.57	0.76
55	810	3.57	0.76
56	825	3.57	0.76
57	840	3.57	0.76
58	855	3.56	0.76
59	870	3.56	0.76
60	885	3.56	0.76
61	900	3.56	0.76
62	915	3.55	0.76
63	930	3.55	0.76
64	945	3.55	0.76
65	960	3.55	0.76
66	975	3.55	0.76
67	990	3.55	0.76
68	1005	3.55	0.76
69	1020	3.55	0.76
70	1035	3.55	0.76
71	1050	3.55	0.76
72	1065	3.55	0.76
73	1080	3.55	0.76
74	1095	3.55	0.76
75	1110	3.55	0.76
76	1125	3.55	0.76
77	1140	3.55	0.76
78	1155	3.55	0.76
79	1170	3.55	0.76
80	1185	3.55	0.76
81	1200	3.55	0.76
82	1215	3.55	0.76
83	1230	3.55	0.76
84	1245	3.55	0.76
85	1260	3.55	0.76
86	1275	3.55	0.76
87	1290	3.55	0.76
88	1305	3.55	0.76
89	1320	3.56	0.76
90	1335	3.56	0.76
91	1350	3.56	0.76
92	1365	3.56	0.76
93	1380	3.56	0.76
94	1395	3.56	0.76
95	1410	3.56	0.76
96	1425	3.56	0.76
97	1440	3.56	0.76
98	1455	3.56	0.76
99	1470	3.57	0.76
100	1485	3.57	0.76

Obliczenia:

Na podstawie zmierzonego przewodnictwa KCl oraz wartości tabelarycznej przewodnictwa właściwego wyznaczam stałą naczyńka.

Dla każdego pomiaru serii wyznaczam przewodnictwo właściwe z zależności:

np. dla pierwszego pomiaru 1 serii:

Z danych dla wykresów obliczam dla każdego punktu rząd reakcji metodą całkową z zależności:

Przy czym wartości
oraz
odpowiadają odpowiednio czasowi oraz zmianie przewodnictwa w punkcie pomiarowym oddalonym o 10 pomiarów od pomiaru w czasie
.

Średnie rzędy reakcji dla roztworów po dodaniu odpowiednio 0,1 ml, 0,2 ml i 1 ml estru wyniosły:

a ich średni rząd dla wszystkich krzywych wyniósł:

A więc reakcja jest reakcją 2-go rzędu i zachodzi zależność:

Z sporządzonego wykresu zależności
dla pierwszych 10 pomiarów odczytuję stałe szybkości (współczynniki kierunkowe prostej).

Dyskusja wyników:

Wyznaczony metodą całkową rząd reakcji wskazuje, że mamy do czynienia z reakcją 2-go rzędu. A więc równanie kinetyczne przyjmuje postać:

v = k[CH₃COOC₂H₅][OH^-]

Ponieważ stosujemy duży nadmiar zasady, a więc początkowa prędkość reakcji zależy od stężenia estru. Hydroliza estru to proces złożony i wieloetapowy. Dla hydrolizy w środowisku obojętnym w pierwszej kolejności zachodzi przyłączenie wody do grupy karbonylowej. Ponieważ jon hydroksylowy jest silniejszym nukleofilem niż woda reakcja zachodzi wielokrotnie szybciej. Jon hydroksylowy jest w tym przypadku zarówno katalizatorem jak i substratem. Rozpadowi jednej cząsteczki estru towarzyszy ubytek jonu hydroksylowego i zastąpienie go jonem octanowym, którego przewodnictwo jest wielokrotnie mniejsze, co pozwala na pomiar kinetyki reakcji. Stosowany nadmiar zasady sprawia, iż reakcja przebiega w jednym kierunku, chociaż jest reakcją odwracalną. Na wykresie 3 można się dopatrzyć jak zmiana przewodnictwa maleje do pewnej wartości, a następnie minimalnie rośnie ustalając stan równowagi chemicznej.

---