Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

Ćwiczenie Nr 21

OZNACZENIE STAŁEJ SZYBKOŚCI HYDROLIZY ESTRU W ŚRODOWISKU KWAŚNYM.

Ćwiczenie wykonano:28.11.2005 r.

Sprawozdanie złożono:05.12.2005 r.

Ćwiczenie wykonał:

Hassan Kassassir

1. Podstawy teoretyczne.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru w obecności jonów H⁺.

Możemy zapisać równanie reakcji hydrolizy estru w środowisku kwaśnym następująco:

H⁺

CH₃COOC₂H₅ + H₂O → CH₃COOH + C₂H₅OH

Ogólnie reakcja hydrolizy estru polega na przyłączeniu cząsteczki H₂O do atomu węgla C g grupie karbonylowej, przy czym w środowisku obojętnym reakcja ta zachodzi bardzo wolno i dopiero dodanie kwasu pełniącego rolę katalizatora przyśpiesza znacznie ta reakcję.

Szybkość powyższej reakcji możemy zapisać równaniem II rzędu:

a ponieważ w roztworach wodnych stężenie wody jest na tyle duże, znacznie przekraczające stężenie estru, i nie ulega zmianie podczas reakcji hydrolizy szybkość tej reakcji możemy zapisać równaniem I rzędu:

rozwiązując powyższe równanie różniczkowe otrzymujemy wzór pozwalający nam wyznaczyć eksperymentalną stałą szybkości k_exp z zależności logarytmu stężenia substratu c_t od czasu reakcji t:

lnc_t = lnc₀ - k_exp ⋅ t

gdzie c₀ oznacza początkowe stężenie estru dla t = t₀

2. Opis postępowania podczas wykonywania ćwiczenia:

• do badania wykorzystujemy roztwór powstały w wyniku zmieszania 40 ml HCL o stężeniu 0,5 M i 4 ml estru ( octanu etylu)

• kolbę z roztworem umieszczamy w termostacie o temp. 25°C

• dokonujemy pierwszego pomiaru: pobieramy 5 ml roztworu reagującego i umieszczamy w kolbie napełnionej uprzednio 25 ml schłodzonej wody destylowanej ( schłodzenie i rozcieńczenie próbki zatrzymuje reakcję hydrolizy) - czas pobrania pierwszej próbki (t₀) traktujemy jako czas rozpoczęcia reakcji

• powyżej przygotowaną próbkę miareczkujemy roztworem NaOH wobec fenoloftaleiny aż uzyskamy trwale różowe zabarwienie - zużytą objętość NaOH traktujemy jako V₀

• w jednakowych odstępach czasu ( co 15 minut ) pobieramy tą samą ilość roztworu reagującego ( 5 ml ) i postępujemy identycznie jak z próbką pierwszą. Zapisujemy każdorazowo czas t pobrania próbki i objętość V_t zużytej do miareczkowania zasady. Powinniśmy otrzymywać coraz większe wartości V_t wraz z upływem czasu trwania pomiaru gdyż wzrasta stężenie kwasu octowego jako produktu reakcji.

• po wykonaniu pierwszego miareczkowania pobieramy 10 ml roztworu reagującego z kolby umieszczonej w termostacie o temp. 25°C i umieszczamy w oddzielnej kolbie w termostacie o temp. 60°C

• pomiędzy kolejnymi miareczkowaniami możemy wyznaczyć miano NaOH - w tym celu miareczkujemy określoną ilość HCl ( np. 10 ml ) o znanym stężeniu roztworem NaOH w obecności fenoloftaleiny

• po 3 godzinach trwania pomiaru pobieramy próbki z roztworu umieszczonego w termostacie o temp. 60°C, dodajemy do schłodzonej wody i miareczkujemy jak wszystkie poprzednie próbki - zapisujemy objętość V_∞ zużytej zasady

3. Zestawienie wyników

tabela pomiarowa:

t (min.)	0	15	30	45	60	75	∞
Vt (ml)	15,5	16,9	18,2	19,3	22	23,4	53

- Wyznaczam miano wodorotlenku :

podczas miareczkowania 10 ml kwasu HCl o stęż . 0,5 mol/dm³ przy użyciu NaOH zużyłem 47 ml zasady

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

mamy C_mol = 0,5mol/dm i V_HCl = 10 ml = 0,01 dm³

zatem

ponieważ mamy stosunek molowy 1 : 1 kwasu i zasady to:

- Wyznaczam wartości ( V_∞ - V_t )⋅c_NaOH dla poszczególnych pomiarów:

⋅ dla t = 0, V_t = V₀ = 15,5 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003975 mola

⋅ dla t = 15 min., V_t = 16,9 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003826 mola

⋅ dla t = 30 min., V_t = 18,2 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003688 mola

⋅ dla t = 45 min., V_t = 19,3 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003572 mola

⋅ dla t = 60 min., V_t = 22 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003286 mola

⋅ dla t = 75 min., V_t = 23,4 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0,003137 mola

⋅ dla t = ∞ min., V_t = V_∞ = 53 ml mamy: ( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH = 0

rachunek jednostek : [ (dm³ - dm³)⋅mol/dm³ ] = [ mol ]

obliczone wyniki wstawiam do tabeli pomiarowej:

t(min.)	0	15	30	45	60	75	∞
Vt (ml)	15,5	16,9	18,2	19,3	22	23,4	53
( V∞ - Vt)⋅cNaOH	0,003975	0,003826	0,003688	0,003572	0,003286	0,003137	0

- Obliczam wartości stałych szybkości k_. dla poszczególnych pomiarów w celu sporządzenia wykresu:

⋅ dla t = 15 min., V_t = 16,9 ml mamy:

15 min = 900s

⋅ dla t = 30 min., V_t = 18,2 ml mamy:

30 min = 1800s

⋅ dla t = 45 min., V_t = 19,3 ml mamy:

45 min = 2700s

⋅ dla t = 60 min., V_t = 22 ml mamy:

60 min = 3600s

⋅ dla t = 75 min., V_t = 23,4 ml mamy:

75 min = 4500s

rachunek jednostek: [
] = [
]

- Wyznaczam wartości ln[( V_∞ - V_t )⋅c_NaOH] dla poszczególnych pomiarów:

⋅ dla t = 0, V_t = V₀ = 15,5 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH] = - 5,53 mola

⋅ dla t = 15 min., V_t = 16,9 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH] = - 5,56 mola

⋅ dla t = 30 min., V_t = 18,2 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH ] = - 5,60 mola

⋅ dla t = 45 min., V_t = 19,3 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH ] = - 5,63 mola

⋅ dla t = 60 min., V_t = 22 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH ] = - 5,72 mola

⋅ dla t = 75 min., V_t = 23,4 ml mamy: ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH ] = - 5,76 mola

rachunek jednostek : [ (dm³ - dm³)⋅mol/dm³ ] = [ mol ]

Sporządzam wykres f(t) = ln[( V_∞ - V_t )⋅ c_NaOH]

Sporządziłem wykres funkcji f(t) = ln[(V_∞ - V_t)⋅c_NaOH] i otrzymałem równanie prostej: y = - 5,5148 - 0,0032x a ponieważ funkcji tej odpowiada zależnośc: ln[(V_∞ - V_t)⋅c_NaOH] = ln[(V_∞ - V_t)⋅c_NaOH] - k_exp⋅t zatem współczynnik kierunkowy tej prostej odpowiada stałej szybkości reakcji:

k = 0,0032 min^-1

4. Wnioski.

Sporządzenie wykresu pozwoliło mi odczytać stałą szybkości dla tej reakcji: k = 0,0032 min^-1 . Stała ta jest rzędu 10^-3 min^-1 a więc odpowiada wartości stałej szybkości hydrolizy estru w temp. 25°C. Na podstawie pomiarów mogłem zauważyć także, że temperatura i czas wpływają na szybkość tej reakcji - na zmiareczkowanie próbki umieszczonej w termostacie o temp. 60°C musiałem zużyć znacznie więcej zasady.