Gr. 2 / 3 lab.
Ćwiczenie nr 1
TEMAT: Konduktometryczne badanie kinetyki hydrolizy estrów.
Wykonały:
Wstęp teoretyczny:
Konduktometria– metoda elektroanalityczna oparta na pomiarze przewodności elektrolitów, zmieniającej się wraz ze zmianą stężenia jonów. Pomiarów przewodności roztworu dokonuje się za pomocą konduktometrów. Na podstawie tych wyników określa się stężenie badanego roztworu w odniesieniu do danych wzorcowych.
Kinetyka chemiczna – dział chemii fizycznej obejmujący badanie szybkości, z jaką zachodzą reakcje chemiczne. Do pomiaru zmiany składu mieszaniny reakcyjnej w czasie wykorzystuje się metody doświadczalne. Pomiar może być prowadzony w sposób ciągły lub okresowy (w określonych odstępach czasu). Techniki wykorzystywane w badaniach kinetyki chemicznej różnią się w zależności od szybkości reakcji i rodzaju badanych reagentów.
Szybkość reakcji zmienia się zwykle w czasie jej trwania, ze względu na zmiany stężeń reagentów. Z tego względu określa się szereg chwilowych szybkości reakcji względem danego reagenta, będących zmianą jego stężenia w czasie mierzoną w określonych momentach trwania reakcji.
Równanie kinetyczne jest to doświadczalnie (empirycznie) wyznaczona zależność szybkości reakcji od stężeń reagentów uczestniczących w reakcji, włączając także jej produkty. Zależność ta nie zawsze jest zgodna z zależnością stechiometryczną zbilansowanego równania chemicznego – może być bardziej skomplikowana ze względu na mechanizm, wg którego zachodzi.
Stałe szybkości reakcji (k) są współczynnikami proporcjonalności w równaniu kinetycznym, łączącymi szybkość reakcji ze stężeniami reagentów. Stałe te są zależne od temperatury i mają jednostkę zależną od postaci równania kinetycznego.
Hydroliza estrów jest reakcją katalizowaną kwasami lub zasadami. Reakcja katalizowana kwasami jest odwracalna, w obecności kwasów prowadzi się przecież syntezę estrów z kwasów i alkoholi. Zasady nie tylko katalizują hydrolizę, ale w ilościach stechiometrycznych są zużywane w reakcji (nieodwracalnej):
Reakcja hydrolizy estrów katalizowana zasadami jest reakcją drugiego rzędu i jej szybkość zależy zarówno od stężenia estru, jak i jonów OH-:
Stechiometryczne równanie zasadowej hydrolizy (zmydlania) estru można zapisać następująco:
CH3COOCH3 + OH- → CH3COO- + CH3OH
Niewiele reakcji przebiega w jednym etapie, zgodnie z zapisem stechiometrycznym.
O ich szybkości decyduje etap najwolniejszy, co powoduje, że równanie kinetyczne reakcji nie może być wyprowadzane z równania stechiometrycznego, lecz ustalane jest na podstawie wyników badań kinetycznych.
W wyniku reakcji następuje m.in. zastępowanie bardzo ruchliwego jonu OH- kilkakrotnie mniej ruchliwym jonem CH3COO-, co daje możliwość dogodnego śledzenia kinetyki reakcji metodą konduktometryczną.
Wykonanie ćwiczenia:
W celu wyznaczenia przewodnictwa roztworu NaOH do naczynka konduktometrycznego nalałyśmy za pomocą pipety 50 ml roztworu NaOH oraz 50 ml wody destylowanej, po czym zmierzyłyśmy przewodnictwo, uzyskując wartość Λ0. Następnie po opróżnieniu i wypłukaniu naczynka wlałyśmy do niego 50 ml roztworu CH3COOCH3 i 50 ml roztworu NaOH. Mierzyłyśmy przewodnictwo co 2 minuty przez 20 minut, potem co 5 minut przez kolejne 20 minut. Obliczyłyśmy wartość Λt. Ostatnia część ćwiczenia polegała na wyznaczeniu przewodnictwa po czasie nieskończenie długim Λ∞. W tym celu do naczynka wlałyśmy 50 ml roztworu CH3COONa i 50 ml roztworu NaOH. Następnie na podstawie otrzymanych wyników dokonałyśmy odpowiednich obliczeń.
Obliczenia i tabela pomiarowa
| Lp. | t [min] | Rt [Ω] | Λt [1/Ω] | Λ0- Λt [1/Ω] | Λt- Λ∞ [1/Ω] | k |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0,187 | 5,36 | 3,19 | 2,92 | 10,92 |
| 2 | 2 | 0,197 | 5,07 | 3,48 | 2,63 | 13,23 |
| 3 | 4 | 0,206 | 4,86 | 3,69 | 2,42 | 15,25 |
| 4 | 6 | 0,227 | 4,40 | 4,15 | 1,96 | 21,17 |
| 5 | 8 | 0,235 | 4,26 | 4,29 | 1,82 | 23,57 |
| 6 | 10 | 0,239 | 4,18 | 4,37 | 1,74 | 25,11 |
| 7 | 12 | 0,244 | 4,10 | 4,45 | 1,66 | 26,81 |
| 8 | 14 | 0,246 | 4,06 | 4,49 | 1,62 | 27,72 |
| 9 | 16 | 0,253 | 3,95 | 4,60 | 1,51 | 30,46 |
| 10 | 18 | 0,264 | 3,79 | 4,76 | 1,35 | 35,26 |
| 11 | 20 | 0,267 | 3,75 | 4,80 | 1,31 | 36,64 |
| 12 | 25 | 0,276 | 3,62 | 4,93 | 1,18 | 41,78 |
| 13 | 30 | 0,279 | 3,58 | 4,97 | 1,14 | 43,60 |
| 14 | 35 | 0,288 | 3,47 | 5,08 | 1,03 | 49,32 |
| 15 | 40 | 0,299 | 3,34 | 5,21 | 0,90 | 57,89 |
Λ0 = 8,55 [1/Ω]
Λ∞ = 2,44 [1/Ω]
a = 0,1 [mol/dm3] – stężenie początkowe substratu
Przykładowe obliczenia po czasie 2 minut:
$$R_{t} = \frac{1}{5,36} = 0,187\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack$$
$$\Lambda_{0} - \Lambda_{t} = 8,55 - 5,36 = 3,19\ \left\lbrack \frac{1}{\mathrm{\Omega}} \right\rbrack$$
$$\Lambda_{t} - \Lambda_{\infty} = 5,36 - 2,44 = 2,92\ \left\lbrack \frac{1}{\mathrm{\Omega}} \right\rbrack$$
Obliczenie stałej szybkości reakcji według wzoru:
$$k = \frac{x}{t a (a - x)} = \frac{\Lambda_{0} - \Lambda_{t}}{a (\Lambda_{t} - \Lambda_{\infty})} = \frac{8,55 - 5,36}{0,1 (5,36 - 2,44)} = 10,92\left\lbrack \frac{\text{dm}^{3}}{\text{mol} \min} \right\rbrack$$
Wartość średnia k = 30,58 [dm3/mol·min]
Wykres zależności oporności roztworu od czasu:
Wykres zależności stałej szybkości od czasu:
Wnioski.
Wykonane ćwiczenie pozwoliło na wyznaczenie stałej szybkości reakcji (k), a także pozwoliło na wykonanie wykresu zależności oporności roztworu od czasu. Wartość średnia ze wszystkich pomiarów szybkości rekcji wyniosła 30,58 [dm3/mol·min]. Ewentualne błędy mogą być spowodowane niedokładnym odmierzeniem czasu pomiarów przewodności, niedokładnym sporządzeniem roztworów, a także niedokładnościami sprzętu pomiarowego.