Kinetyka estryfikacji

Wstęp teoretyczny:

Szybkość reakcji:

Dla chemików szybkość reakcji jest bardzo ważnym aspektem, dążymy zazwyczaj do maksymalnej szybkość przy jak największej wydajności reakcji. Różne reakcje przebiegają z różna szybkość ą : jedne są momentalne np. reakcje jonowe, inne wolniejsze np. polimeryzacja, znamy tez reakcje trwające nawet i latami np. rozpad promieniotwórczy. Szybkość reakcji determinowana jest rożnymi czynnikami, głównymi i występującymi w większości SA temperatura i stężenie reagentów. Na szybkość reakcji ma wpływ użytego katalizatora oraz nawet stan skupienia substancji, ponieważ w układach jednorodnych reakcja zachodzi szybciej niż w niejednorodnych. Do reakcji może dojść dopiero podczas „spotkania” się dwóch cząsteczek o odpowiednio dużej energii jest to zatem liczba efektywnych zderzeń cząsteczek przypadających na jednostkę czasu

Równowaga reakcji:

Ogólny zapis reakcji estryfikacji możemy wyrazić równaniem A+B=C+D

Jest to reakcja równowagowa, zatem na jej skład maja wpływ dwie przeciwstawne reakcje proste, których szybkość określają równania oraz. Pierwsza z reakcji biegnie już na samym początku reakcji, jednak jej szybkość stopniowo maleje. Druga reakcja rozpoczyna się dopiero po pojawieniu się pierwszych produktów, w miarę postępu procesu jej szybkość zwiększa się aż w punkcie równowagi szybkość pierwszej i drugiej reakcji są takie same. Punkt równowagi jest to stan procesu w którym w synteza produktów jest równoważona z ich rozpadem. Zatem stosunek stałych szybkości osiąga wartość K która określona jest jako stała równowagi reakcji:

Estryfikacja

Jest to proces w którym powstają estry. Zachodzi najczęściej pomiędzy kwasami karboksylowymi i alkoholami, powstaje w tym procesie również woda. Przebieg takiej reakcji jest równowagowy, aby zwiększyć wydajność procesu należy usuwać jeden z produktów reakcji którym najczęściej jest woda. Katalizatorami reakcji jest najczęściej kwasu siarkowego(VI) lub jakiś inny mineralny.

Wykonanie ćwiczenia:

Obliczono objętości odpowiednich substancji potrzebnych do sporządzenia 40 cm³ mieszaniny
Sporządzono mieszaniny alkohol/woda oraz kwas octowy/ kwas siarkowy w stosunkach objętościowych (19,1/1,7) oraz (18,1/1,1)
Zmieszano roztwory w aparaturze estryfikacyjnej oraz rozpoczęto pomiar czasu reakcji.
Próbkę „0” pobrano po 15 sekundach, kolejne próbki pobierano z określana preżkościa. Objętości pobieranych próbek to 2ml.
Próbki miareczkowano 0,47M roztworem KOH wobec fenoloftaleiny do pojawienia się pierwszego zabarwienia w całej objętości roztworu.
Uzyskano objętość KOH użyta do zobojętnienia CH₃COOH oraz wykonano obliczenia ilości moli KOH na podstawie znanej jego objętości i stężenia CH₃COOH znając objętość pobieranej próbki V_pr= 2ml .

Obliczenie ilości poszczególnych substratów:

Skład substratów wyrażony stosunkiem molowym :

alkohol/woda - 5/1

alkohol/kwas octowy - 1,5/1

stężenie katalizatora: 0,5 mol/l

M_H2O =18,020 g/mol
M_CH3OH =32,040 g/mol
M_CH3COOH = 60,050 g/mol
d_CH3OH =0,791 g/cm3
d_CH3COOH=1,05 g/cm3

d_H2O = 1,000 g/cm3

d_H2SO4 =1,84 g/cm3
M_H2SO4 =98,08 g/mol
Cp_H2SO4 = 95%

Cp_CH3OH = 99,8%

Cp_CH3COOH =99,5%

Obliczenie masy CH₃OH oraz H₂O z podanego stosunku molowego :

przyjęto H₂O w ilości 1 mola = 18,02g

CH₃OH = 5 moli = 160,2 g

Uwzględniając stopień czystości :

m_CH3OH = $\frac{160,2g\ 100\%}{99,8\%}$ = 160,521 g

m_H2O = 18,02g

Obliczenie masy CH₃COOH z podanych stosunków:

przyjęto 5 moli CH₃OH wyliczonych powyżej :

1,5 CH₃OH – 1 CH₃COOH

5 CH₃OH – X

X = $\frac{5}{1,5}$ = 3,334mola = 200,207g CH3COOH

Uwzględniając stopień czystości:

m_CH3COOH = $\frac{200,207g\ 100\%}{99,5\%}$ = 201,213g

Obliczenie objętości substratów:

V_CH3OH = $\frac{m}{d}$ = $\frac{160,521g}{0,791\frac{g}{\text{cm}^{3}}}$ = 202,934 [cm³]

V_CH3COOH = $\frac{m}{d}$ = $\frac{201,213g}{1,05\frac{g}{\text{cm}^{3}}}$ = 191,631 [cm³]

V_H20 = $\frac{m}{d}$ = $\frac{18,02g}{1\frac{g}{\text{cm}^{3}}}$ = 18,02 [cm³]

ΣV₁ = V_CH3OH + V_CH3COOH + V_H20 = 202,934 + 191,631 + 18,02 = 412,585 [cm³]

Obliczenie liczby moli H₂SO₄ na podstawie stężenia a następnie masy i objętości:

0,5 mola – 1000 cm³

n - 412,585 cm³

n = $\frac{0,5\text{mola}\ 412,585\text{cm}^{3}}{1000\text{cm}^{3}}$ = 0,206 mola

m_H2SO4 = n· M_H2SO4 = 0,206mola · 98,08$\frac{g}{\text{mol}}$ = 20,204g

uwzględniając stopień czystości :

m_H2SO4 = $\frac{20,204g\ 100\%}{95\%}$ = 21,267g

V_H2SO4 = $\frac{m_{H2SO4}}{d}$ = $\frac{21,267g}{1,84\frac{g}{\text{cm}^{3}}}$ = 11,558 [cm³]

Obliczenie objętości poszczególnych substratów w celu stworzenia 40 cm³ mieszaniny:

ΣV₂ = V_CH3OH + V_CH3COOH + V_H20 + V_H2SO4 = = 202,934 + 191,631 + 18,02 + 11,558 =424,143[cm³]

202,934 [cm³] – 424,143 [cm³]

V_CH3OH - 40 [ cm³]

V_CH3OH = $\frac{202,934\ 40}{424,143}$ = 19,138 [cm³]

191,631 [cm³] – 424,143 [cm³]

V_CH3COOH - 40 [ cm³]

V_CH3COOH = $\frac{191,631\ 40}{424,143}$ = 18,072 [cm³]

18,02 [cm³] – 424,143 [cm³]

V_H2O - 40 [ cm³]

V_H2o = $\frac{18,02\ 40}{424,143}$ = 1,699 [cm³]

11,558 [cm³] – 424,143 [cm³]

V_H2SO4 - 40 [ cm³]

V_H2SO4 = $\frac{11,558\ 40}{424,143}$ = 1,09 [cm³]

W celu sporządzenia mieszaniny użyto:

V_CH3OH = 19,1 [cm³] → n^o _CH3OH = 0,472 mola

V_CH3COOH = 18,1 [cm³] → n^o_CH3COOH = 0,316 mola

V_H2O = 1,7 [cm³] → n^o_H2O = 0,094 mola

V_H2SO4 = 1,1 [cm³]

Wyniki .

Uzyskano je na podstawie notowania pomiaru czasu ,wyników miareczkowania oraz obliczeń bazujących na podanych wzorach:

n_KOH = Cm_KOH ·V_KOH , Cm_CH3COOH = $\frac{n_{CH3COOH}}{V_{\text{pr}}}$ , Cm_CH3OH = $\frac{n_{CH3OH}}{V_{\text{pr}}}$ , Cm_H2O = $\frac{n_{H2O}}{V_{\text{pr}}}$ , Cm_CH3COOCH3 = $\frac{n_{CH3COOCH3}}{V_{\text{pr}}}$

gdzie:

Cm_KOH = 0,55 [mol/l]

V_pr = 2 [ml]

n _CH3COOH = n_KOH

n_CH3OH = 1,5 n_CH3COOH

n_H20 = n^o_H2O + n^o_CH3COOH - n_CH3COOH → n_H20 = 0,094 + 0,316 - n_CH3COOH

n_CH3COOCH3 = 0,316 - n_CH3COOH

Czas [s]	Objętość KOH [l]	Liczba moli KOH	Stężenie CH₃COOH [mol/l]	Stężenie CH₃OH [mol/l]	Stężenie H₂0 [mol/l]	Stężenie CH₃COOCH₃ [mol/l]
15	0,0338	0,01859	9,295	13,943	195,605	148,705
135	0,0301	0,01656	8,28	12,42	196,72	149,72
255	0,025	0,01375	6,875	10,313	198,125	151,125
615	0,022	0,0121	6,05	9,075	198,95	151,95
975	0,0201	0,01106	5,53	8,295	199,47	152,47
1275	0,0189	0,0104	5,2	7,8	199,8	152,8
1575	0,0179	0,00985	4,925	7,388	200,075	153,075
1875	0,0169	0,0093	4,65	6,975	200,35	153,35
2175	0,0164	0,00902	4,51	6,765	200,49	153,49
2475	0,0156	0,00858	4,29	6,435	200,71	153,71

Wnioski:

Z wyników możemy zauważyć malejący udział kwasu octowego w mieszaninie, jest to spowodowane postępem estryfikacji. Spadek stężenia kwasu oraz wzrost stężenia wody i estru w początkowej fazie jest większy niż w końcowej, spowodowane jest to ustalaniem się równowagi reakcji.

Wyszukiwarka