Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine (0)

TTÜ Materjaliteaduse Instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. 8
Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine
Üliõpilane Kristin Obermann
Kood 123482KAKB
Töö teostatud
21.03.2014
....................................
märge arvestuse kohta,
õppejõu allkiri
Töö ülesanne. Töös määratakse tasakaalukonstant lahuses toimuvale reaktsioonile
CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 + H2O.
Sissejuhatus. Eeltoodud reaktsioonile on termodünaamiline tasakaalukonstant avaldatav tasakaalu olukorras mõõdetud produktide ja lähteainete aktiivsuste kaudu:
kus
ai – komponendi aktiivsus lahuses
Ci – komponendi tasakaalne molaarne kontsentratsioon, mol/L
γi – komponendi aktiivsustegur lahuses molaarsuse järgi1
Aktiivsustegureid on võimalik määrata aururõhu mõõtmise teel ja elektrokeemiliste meetoditega. Kui puuduvad andmed komponentide aktiivsustegurite kohta, on sobiv kasutada näilist tasakaalukonstanti K'C, mis avaldatakse molaarsete kontsentratsioonide Ci kaudu:
Termodünaamiline ja näiline tasakaalukonstant on omavahel seotud järgmiselt:
Antud süsteemis on lahuses mitteelektrolüüdid ja mitteelektrolüütide aktiivsustegurid loetakse üldjuhul võrdseks ühega.
Kuna molaarse kontsentratsiooni saamiseks tuleb kõikide komponentide moolide arvud läbi jagada ühe ja sama arvuga (lahuse ruumalaga), siis võib KC' avaldisse panna antud juhul lihtsalt moolide arvud viimasest tabelist (kõik kontsentratsioonid on esimeses astmes ja lahuse ruumala taandub välja).
Antud töös määrataksegi näiline tasakaalukonstant, mis on konstantne küllalt suures kontsentratsioonide piirkonnas.
Selle reaktsiooni tasakaal saabub aeglaselt. Käesolevas töös kasutatakse tasakaaluoleku kiiremaks saavutamiseks katalüsaatorina HCl. Katalüsaatori kontsentratsioon on küllalt suur, et muuta vee happesust ja mõjutada tasakaalukonstandi arvväärtust, kuid kindla HCl kontsentratsiooni puhul igas segus on tasakaalukonstant püsiv. HCl lisatakse ainult katalüsaatorina reaktsiooni kiirendamiseks, ta ei võta osa reaktsioonist.
Tööl on praktiline tähtsus iga keemilise sünteesi jaoks, kus on vaja teada teoreetilist saagist antud lähteainete kontsentratsiooni puhul. Arvutusi saab teha teades vastava reaktsiooni tasakaalukonstanti, eeldades, et aeg on küllaldane tasakaalu saavutamiseks.
Töövahendid. Bürett, 5-ml pipett , 2-ml pipett, 1-ml pipett, neli 50-ml mahuga korgiga suletavat kuiva kolbi, kaaluklaas.
Reaktiivid. ~0,5 M NaOH lahus (täpne kontsentratsioon pudelil), ff indikaator , etüületanaat (etüülatsetaat), 3 M HCl lahus, 100%‑ne etaanhape (jää-äädikhape), absoluutne etanool , destilleeritud vesi.
Katse käik: Kahte 50-m1 mahuga täiesti kuiva kolbi pipeteeritakse esimene segu 5 ml 3 M HCl + 5 ml vett (ainult soolhape ja vesi, st "taustaained" kaheks paralleelkatseks)
Järgmisse kahte 50-m1 mahuga korgiga suletavasse täiesti kuiva kolbi valmistada vastavalt praktikumi juhendaja korraldusele üks järgmistest segudest:
e) 5 ml 3 M HCl + 4 ml etüületanaati + 1 ml etanooli
Need kaks kolbi, milles on reageeriv segu, suletakse kiiresti ning jäetakse seisma vähemalt 48 tunniks (veel parem nädalaks), segu vahetevahel loksutades. Auramise vältimiseks on oluline, et korgid oleksid tihedalt suletud. Kolbe pole vaja termostateerida, sest antud reaktsiooni tasakaalu mõjutab temperatuur vähe. Kolvid märgistatakse ja jäetakse eraldi riiulile seisma.
Iga reagendi hulk määratakse kaalumise teel. Selleks võtta ja kaaluda kuiv kaaluklaas. Pipeteerida sinna samapalju soolhapet kui on esimeses (ja ka kõikides teistes) segudes ja kaaluda täpsetel kaaludel. Pipett lastakse tühjaks voolata otse kaaluklaasi. Seejärel pipeteeritakse sinna (lisaks) samapalju etüületanaati, etanooli või etaanhapet , kui on vaja võtta reaktsioonisegu (a, b, c,... või g) valmistamiseks ja kaalutakse uuesti. Järgmiseks pipeteeritakse sinna lisaks niipalju vett kui on vaja võtta reaktsioonisegu valmistamiseks (segus b näiteks 1 ml). Kaalumist jätkatakse kuni kõik reaktsioonisegusse lisatavate reaktiivide ja vee kogused on kaalutud. Eeldatakse, et need kogused jäävad samaks kõikide segude korral.
Kuna reaktsiooni tasakaal nihkub aeglaselt, on tasakaalukontsentratsioonid määratavad tiitrimise teel. Pärast seismist tiitrida iga kolvi sisu (otse kolbi) ~0,5 M NaOH lahusega (täpne kontsentratsioon fikseerida pudelilt) fenoolftaleiini juuresolekul.
Esimene segu (ainult soolhape ja vesi – kaks esimest kolbi) tiitrida kohe praktikumi lõpus, reageeriv segu kõige varem 48 tunni möödudes, veel parem nädala pärast (järgmises praktikumis ).
Katseandmed:
Uuritud segu: 5 ml 3 M HCl + 4 ml etüületanaati + 1 ml etanooli
Tühja kaaluklaasi mass: 47,487 g ; 45,241 g
5 mL 3M soolhappelahuse mass: 5,467 g
Reaktsioonisegusse lisatud 4 ml etüületanaadi mass: 3,562 g
Reaktsioonisegusse lisatud 1 ml etanooli mass: 0,7 g
HCl lahuse tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5160 M
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb I: 25,3 mL
kolb II: 25,9 mL
keskmine: 25,6 mL
Tasakaalusegu tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5160 M
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb III: 72,5 mL
kolb IV: 71,9 mL
keskmine: 72,2 mL
Lähteandmed teoreetilise tasakaalukonstandi arvutamiseks:
CH3COOH
+   C2H5OH

CH3COOC2H5
+ H2O
ΔHf0298K kJ mol-1
–487
–278
 
–481
–286
S0298K J mol-1 K-1
160
161
 
259
70
∆G0298=∆H0298 - 298*∆S0298
∆H0298=-481-286+487+278= -2 kJ/mol
∆S0298=70+259-160-161= 8 kJ/mol
∆G0298=-2000-298*8= -4384 J

Tabel. Katseandmete töötlus

I ja II kolvi keskmine
5 mL 3M (3n) HCl lahuse mass
5,467
g
5 mL 3M (3n) HCl tiitrimiseks kulunud
0,5160 M (n) NaOH
25,6
mL
0,0132
mol (n1)
HCl mass lahuses
0,482
g
Vee mass HCl lahuses
4,985
g
III ja IV kolvi keskmine
HCl lahusega lähtelahusesse viidav vesi
4,985
g
0,277
mol
Lähtelahusesse lisatud vesi
0
g
0
mol
Kokku vett lähtelahuses
4,985
g
0,277
mol
Etanooli lähtelahuses
0,7
g
0,0152
mol
Etüületanaati lähtelahuses
3,562
g
0,0404
mol
Tasakaalusegu tiitrimiseks kulunud
0,5160 M (n) NaOH
72,2
mL
0,0373
mol (n2)
Etaanhappega reageerinud NaOH
moolide arv (n = n2 – n1)
0,0241
mol
Etaanhappe moolide arv tasakaalusegus (n)
0,0241
mol

Tabel. Tasakaalusegu koostise arvutus

Aine
Mooli lähtelahuses
Reageerib ära
Tekib
Tasakaalus moole
Etaanhape
0,0241
0,0241
Etanool
0,0152
0,0241
0,0393
Etüületanaat
0,0404
0,0241
0,0163
Vesi
0,277
0,0241
0,2529
Arvutused:
I ja II kolvi arvutused:
mHCl = VNaOH * CN(NaOH) * EHCl
Kuna EHCl = MHCl, siis
Seega on HCl-ga sisseviidud vee hulk
III ja IV kolb
HCl lahusega lähtelahusesse viidav vee moolide arv:
Lähtelahuses etanooli moolide arv:
Etüületanaati lähtelahuses moolides :
Etaanhappega reageerinud NaOH moolide arv (n = n2 – n1):
0,0373-0,0132 = 0,0241 mol
Tasakaalusegus etaanhappe tiitrimiseks kulunud NaOH ml ja moolide arv:
VNaOH= 72,2 ml
Etüületanaat, etanooli ja H2O tasakaalusegus:
Etüületanaat: 0,0404-0,0241=0,0163 mol
Vesi: 0,277-0,0241=0,2529 mol
Etanool: 0,0152+0,0241=0,0393 mol
Tasakaalukonstant
Katsevea arvutus:
Järeldus:
Antud töös arvutasin esterdamise reaktsiooni näilise tasakaalukonstandi, mille väärtuseks sain Kx = 5,57. Teoreetiliseks tasakaalukonstandiks, mille arvutasin on 4,35. Katseviga tuli 25,8%, mis on küllaltki suur viga. Ilmselt on ebatäpsus tingitud doseerimiset, mille juures kasutasime vaid tehnilise täpsusega mõõtevahendeid; tasakaalu saabumise pikast ajast, katalüsaatori juuresolekust suhteliselt suures koguses ja sellega seotud aktiivsusteguri mõjudest.
1 Avaldatakse ka moolimurdude järgi, sel juhul kasutatakse molaarse kontsentratsiooni asemel moolimurdusid