Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej
Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku
Kierunek: Inżynieria Środowiska
Semestr III rok 2011/12

Gr. 2 / 4 lab.

Ćwiczenie nr 1

TEMAT: Konduktometryczne badanie kinetyki hydrolizy estrów.

1. 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:

                            CH3COONa + H2O ⇌ CH3COOH + NaOH

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.

1. 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 Λ_t. 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.

1. Obliczenia i tabela pomiarowa

Lp.	t [min]	Rt [Ω]	Λt [1/Ω]	Λ0- Λt [1/Ω]	Λt- Λ∞ [1/Ω]	k
1	0	8,51	0,118	8,432	2,322	36,31
2	2	8,04	0,124	8,426	2,316	36,38
3	4	7,61	0,131	8,419	2,309	36,46
4	6	7,37	0,136	8,414	2,304	36,50
5	8	7,09	0,141	8,409	2,299	36,58
6	10	6,91	0,145	8,405	2,295	36,62
7	15	6,72	0,149	8,401	2,291	36,67
8	20	6,51	0,154	8,396	2,286	36,73
9	25	6,45	0,155	8,395	2,285	36,74

Λ₀ = 8,55 [1/Ω]

Λ_∞ = 2,44 [1/Ω]

a = 0,1 [mol/dm³] – stężenie początkowe substratu

Przykładowe obliczenia po czasie 2 minut:

$$\Lambda_{t} = \frac{1}{8,51} = 0,118\ \lbrack\mathrm{\Omega}\rbrack$$

$$\Lambda_{0} - \Lambda_{t} = 8,55 - 0,118 = 8,432\ \left\lbrack \frac{1}{\mathrm{\Omega}} \right\rbrack$$

$${\Lambda_{\infty} - \Lambda}_{t} = 2,44 - 0,118 = 2,322\ \left\lbrack \frac{1}{\mathrm{\Omega}} \right\rbrack$$

Obliczenie stałej szybkości reakcji według wzoru:

$$k = \frac{x}{t a (a - x)} = \frac{\Lambda_{0} - \Lambda_{t}}{a (\Lambda_{\infty} - \Lambda_{t})} = \frac{8,55 - 0,118}{0,1 (2,44 - 0,118)} = 36,31\left\lbrack \frac{\text{dm}^{3}}{\text{mol} \min} \right\rbrack$$

Wartość średnia k = 36,55[dm³/mol·min]

Wykres zależności stałej szybkości od czasu:

Wykres zależności oporności roztworu od czasu:

1. 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 36,55 [dm³/mol·min]. Ewentualne błędy mogą być spowodowane niedokładnym odmierzeniem czasu pomiarów przewodności, niedokładnym sporządzeniem roztworów, a także niedokładnościami sprzętu pomiarowego.