Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest oznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru katalizowanej jonami OH^-.

Wstęp teoretyczny:

Hydroliza octanu etylu w środowisku zasadowym zachodzi zgodnie z równaniem:

CH₃COOC₂H₅ + OH⁻ →  CH₃COO⁻ + C₂H₅OH

Jest to proces złożony i wieloetapowy. Reakcja hydrolizy estru w środowisku zasadowym jest reakcją drugiego rzędu. Jej szybkość zależy od stężenia estru CH₃COOC₂H₅ i jonów OH⁻.

Szybkość reakcji chemicznej – to ubytek stężenia molowego substratu lub przyrost stężenia molowego produktu do czasu w jakim nastąpiła ta zmiana.

$$V = \frac{1}{\nu_{i}} \bullet \frac{\text{dc}_{i}}{\text{dt}}$$

gdzie:

ν_i- współczynnik stechiometryczny

c_i- stężenie molowe reagenta

t- czas

Jednostką szybkości reakcji chemicznej jest $\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet s$ lub $\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}} \bullet min$.
Szybkość reakcji chemicznej zależy od stężenia substratów i reagentów, temperatury, rodzaju użytego katalizatora i innych, np. rodzaju rozpuszczalnika, siły jonowej, ciśnienia, światła, kształtu i rodzaju naczynia w którym przebiega reakcja.

Stała szybkości reakcji k – jest to współczynnik proporcjonalności, jest to szybkość reakcji przy stężeniach reagentów równych jedności. Jej wymiar zależy od wartości współczynników stechiometrycznych reakcji.

Rzędowość reakcji chemicznej – jest wielkością wyznaczaną eksperymentalnie.
Nie można go przewidzieć na podstawie równania stechiometrycznego, nie ma nic wspólnego z współczynnikami stechiometrycznymi w równaniu reakcji.

Rząd reakcji – jest to suma wykładników potęg występujących przy stężeniach związków chemicznych, w równaniach kinetycznych danej reakcji chemicznej.

Cząsteczkowość reakcji chemicznej – to liczba cząstek biorących udział
w elementarnym akcie reakcji, decydującym o szybkości całej reakcji.

Czas połowicznej przemiany – czas, po którym stężenie substratu maleje o połowę, osiąga połowę stężenia początkowego.

Równanie Arrheniusa:

Równane to opisuje wpływ temperatury na szybkość reakcji, które podaje zależność stałej szybkości reakcji od temperatury w postaci różniczkowej:

$$\frac{\text{dlnk}}{\text{dT}} = \frac{E_{A}}{\text{RT}^{2}},$$

gdzie:

E_A – energia aktywacji – to najmniejsza ilość energii, jaką muszą posiadać substraty, aby ulec przemianie do produktów, liczona na 1 mol aktów reakcji.

Wykonywane czynności:

1. Pobieram sprzęt do ćwiczenia.

2. Kolby o pojemności 250 ml napełniam NaOH o stężeniu 0,025 mol/dm³ jedną a drugą CH₃COOC₂H₅ o stężeniu 0,02 mol/dm³. Wszystkie kolby oraz pusta o pojemności 500 ml wstawiam do termostatu o temperaturze 25⁰C.

3. Oznaczam miano NaOH.

4. Po upływie 15 minut termostatowania roztwory reagentów zlewam do pustej kolby o pojemności 500 ml, notuje dokładny czas zmieszania, który posłuży mi jako początek reakcji.

5. Z mieszaniny reakcyjnej pobieram próbkę o objętości 100 ml i wstawiam do termostatu o temperaturze 60⁰C.

6. Po upływie 5 minut od zmieszania roztworów pobieram roztwór i wlewam do zlewki zawierającej 20 ml HCl o stężeniu 0,05 mol/dm³ . Próbkę miareczkuje za pomocą NaOH wobec fenoloftaleiny. Następne próbki pobieram co 15 minut notując dokładny czas. Każdą kolejną próbkę miareczkuje tak jak pierwszą .

7. W celu wyznaczenia początkowego stężenia jonów OH^- miareczkuje tzw. „ślepą próbę” składającą się z: 20 ml HCl o stężeniu 0,05 mol/dm³, 25 ml H₂O, 25 ml roztworu NaOH , który został użyty w reakcji hydrolizy.

8. Po 2,5 godzinach pobieram próbkę o objętości 50 ml z termostatu o temperaturze 60⁰C i miareczkuję.

Tabela wyników:

t [min]	VNaOH [ml]	x	a-x	b-x	ln [(a-x)/(b-x)]
5	11,5	0,0048852	0,007787	0,005098	0,42368584
15	12,4	0,005841	0,006831	0,004142	0,50036988
30	13,8	0,0073278	0,005344	0,002655	0,69960463
45	14,2	0,0077526	0,00492	0,00223	0,79113596
60	14,8	0,0083898	0,004282	0,001593	0,98889457
75	15,0	0,0086022	0,00407	0,001381	1,08112481
90	15,4	0,009027	0,003645	0,000956	1,33861783

CNaOH=	0,0531	[mol/dm^3]
Vpr=	50	[ml]
VHCl=	20	[ml]
CHCl=	0,05	[mol/dm^3]
V0=	6,9	[ml]
a=	0,0126722	-
b=	0,0099828	-
V∞=	16,3	[ml]
a-b=	0,0026894	-

1. Obliczam stężenie roztworu NaOH stosowanego do miareczkowania.

V₁=18,9 cm³

V₂=18,8 cm³

V_śr =18,85 cm³

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

n_kwasu = n_zasady

c_kwasu • V_kwasu = c_zasady • V_zasady

$$c_{\text{zasady}} = \frac{c_{\text{kwasu}} \bullet V_{\text{kwasu}}}{V_{\text{zasady}}} = \frac{0,05 \bullet 0,02}{0,01885} = 0,0531\ mol/\text{dm}^{3}$$

1. Obliczam początkowe stężenie jonów hydroksylowych w mieszaninie reakcyjnej.

$$a = \frac{V_{\text{HCl}} \bullet c_{\text{HCl}} - V_{0} \bullet c_{\text{zasady}}}{V_{\text{pr}}} = \frac{0,02 \bullet 0,05 - 0,0069 \bullet 0,0531}{0,05} = 0,0126722\ mol/\text{dm}^{3}$$

1. Obliczam zmianę stężenia jonów hydroksylowych x (przykładowe obliczenia):

$$x = \frac{(V_{t} - V_{0}) \bullet c_{\text{zasady}}}{V_{\text{pr}}} = \frac{(0,0115 - 0,0069) \bullet 0,0531}{0,05} = 0,0048852$$

1. Obliczam początkowe stężenie estru b:

$$b = \frac{(V_{\infty} - V_{0}) \bullet c_{\text{zasady}}}{V_{\text{pr}}} = \frac{\left( 0,0163 - 0,0069 \right) \bullet 0,0531}{0,05} = 0,0099828$$

1. Wyznaczam stałą szybkości reakcji.

y = 0, 0115x + 0, 2868

0, 0115 = k_exp * (a − b)

$$k_{\exp} = \frac{0,0115}{(a - b)}$$

$$k_{\exp} = \frac{0,0115}{(0,0126722 - 0,0099828)}$$

k_exp = 4, 276 • 10³ dm³ • mol⁻¹ • min⁻¹.

Wnioski:

Celem przeprowadzanego ćwiczenia było wyznacznie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru katalizowanej jonami hydroksylowymi. Wartość stałej po dokonaniu obliczeń wyniosła 4, 276 • 10³ dm³ • mol⁻¹ • min⁻¹ i różni się od wartości podawanej w tablicach. Wartość stałej szybkości reakcji hydrolizy zasadowej w 25C, podawana w tablicach fizykochemicznych wynosi 6, 5 • 10³ dm³ • mol⁻¹ • min⁻¹.

Odchylenia od wartości tablicowej mogą być spowodowane błędami podczas wykonywania ćwiczenia, takimi jak:

- trudność z oceną barwy wskaźnika podczas miareczkowania, niemożliwością jest wzięcie pod uwagę tych samych odcieni wskaźnika, co mogło mieć wpływ na dodanie większej bądź mniejszej ilości titranta, a co za tym idzie wpłynęło na rozrzut punktów na wykresie.

- wahania temperatury – temperatura podczas wykonywania ćwiczenia w laboratorium mogła ulegać zmianie, a co za tym wpływać na wartość stałej szybkości reakcji.

- nieszczelność korka umieszczonego w kolbie, a także niecałkowite zanurzenie kolby w termostacie mogły wpłynąć na zmianę stężenia molowego estru w mieszaninie reakcyjnej.

Hydroliza estru w środowisku zasadowym jest reakcją drugiego rzędu, a jej szybkość zależy od stężenia estru octanu etylu i jonów hydroksylowych. Dzięki tym informacją możemy matematycznie, metodą graficzną wyznaczyć stałą szybkości reakcji, która jest współczynnikiem kierunkowym wynikającym z zależności prostej.