Etaanhappe anhüdriidi hüdratatsioon kiiruse määramine elektrijuhtivuse meetodil (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 24
Töö pealkiri: ETAANHAPPE ANHÜDRIIDI HÜDRATATSIOONI KIIRUSE MÄÄRAMINE ELEKTRIJUHTIVUSE MEETODIL
Üliõpilase nimi ja eesnimi:
Õpperühm
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:
24.töö
ETAANHAPPE ANHÜDRIIDI HÜDRATATSIOONI KIIRUSE MÄÄRAMINE ELEKTRIJUHTIVUSE MEETODIL
Töö ülesanne. Lahjendatud vesilahuses kulgeva esimest järku reaktsiooni
(CH3CO)2O + H2O = CH3COOH
kiiruskonstandi määramine.
Reaktsiooni kineetikat uuritakse elektrijuhtivuse mõõtmise teel, mis lubab reaktsiooni pidevalt jälgida proove võtmata. Süsteemi elektrijuhtivus kasvab ajas oluliselt etaanhappe (äädikhappe) moodustumise tõttu.
Aparatuur . Vesitermostaat; juhtivusmõõtja juhtivusnõuga või anduriga; lihvkorgiga 50-ml kolb , 100-ml kolb, 6-ml pipett ; stopper .
Töö käik. Termostaat reguleeritakse juhendaja poolt antud temperatuurile (lubatud temperatuurikõikumised 0,1 - 0,2°C). Termostaati asetatakse 100-ml kolb destileeritud veega.
50-ml mahuga mõõtekolbi mõõdetakse 6 ml etaanhappe (äädikhappe) anhüdriidi ja täidetakse kriipsuni eelnevalt termostateeritud (vajaliku temperatuurini soojendatud) destilleeritud veega. Etaanhappe lahustamise algmomendil käivitatakse stopper ja lastakse see seiskamata käia katse lõpuni (kuni püsiva elektrijuhtivuse väärtuse saavutamiseni). Stopperi järgi fikseeritakse lahustumise algus ja lõpp. (Vee lisamisel on selgesti näha kahe vedeliku piir, loksutamisel tekib hägu. Hägu kadumist tuleb lugeda lahustumise lõppmomendiks.) Lahus­tumise alguse ja lõpu hetkede keskmine loetakse reaktsiooni alguseks.
Juhtivusnõu loputatakse uuritava lahusega ja seejärel täidetakse sama lahusega nii, et elektroodid oleks kaetud vähemalt 1 cm paksuse lahuse kihiga . Juhtivusnõu asetatakse termostaati ja loksutatakse selles umbes minut püsiva temperatuuri saavutamiseks.
Juhtivusmõõtja annab väljundi voltides, mis tuleb teisendada millisiimensiteks arvestusega, et 1 V vastab 5 mS-ile.
Katseandmete töötlemine. Kuna uuritav reaktsioon on esimest järku, siis tehakse arvutused vastavalt võrrandile
kus k - reaktsiooni kiiruskonstant,
co - etaanhappe anhüdriidi algkontsentratsioon,
co-cx - etaanhappe anhüdriidi kontsentratsioon ajamomendil t reaktsiooni algusest,
cx - ajamomendiks t ärareageerinud anhüdriidi kontsentratsioon,
t - aeg reaktsiooni algusest, min.
Elektrijuhtivuse kasv ajas on võrdeline tekkiva etaanhappe kontsentratsiooniga , kogu tekkiva etaanhappe hulk on aga võrdeline lahustatud etaanhappe anhüdriidi hulgaga. Seega elektrijuhtivuse suurenemine kogu reaktsiooni vältel on võrdeline etaanhappe anhüdriidi algkontsentratsiooniga.
Tähistanud
χo - lahuse elektrijuhtivus reaktsiooni alghetkel ,
χt - elektrijuhtivus antud momendil t,
χ∞ -viimane mõõdetud elektrijuhtivus (juba konstantne ),
saame:
co = const (χ∞ -χ0)
(co-cx) = const· (χ∞ -χ0) - const ·(χt -χ0) = const · (χ∞ -χ0 - χt + χ0 ) = const · (χ∞ - χt )
seega
Lahuse juhtivust katse algul χ0 ei õnnestu otseselt mõõta, kuna reaktsiooni algusest kuni esimese mõõtmiseni kulub teatud aeg. Seetõttu leitakse χo ekstrapoleerimise teel graafikust , kus abstsissteljele kantakse aeg minutites. Esimest järku reaktsiooni punktid peavad neis koordinaatides paiknema sirgel. Saadud sirge lõikumisel ajahetkele t = 0 vastava vertikaaliga leitakse
millest arvutatakse χo.
Reaktsiooni kiiruskonstant arvutatakse eraldi igale katsepunktile ja leitakse neist keskmine. Viimast võrreldakse graafiliselt sirge
tõusust arvutatud kiiruskonstandi-ga.
Kahel temperatuuril määratud keskmistest kiiruskonstantidest ( tava­liselt sooritab katse teisel temperatuuril teine üliõpilane) arvutatakse antud reaktsiooni aktiveerimisenergia ja Arrheniuse võrrandi ekspo­nendieelne kordaja. Kui teisel temperatuuril ei ole kiiruskonstanti määratud, esitatakse ainult aktiveerimisenergia ja eksponendieelse teguri arvutusvalemid.
Katse 1.
Kõigepealt soojendasin 100ml kolvis olevas destilleeritud vee 30 kraadini, seejärel pipeteerisin 6ml etaanhappe anhüdriidi 50ml-sesse kolbi ja täitsin kriipsuni 30 kraadise destveega.
c0=0,188 V
T= 30oC
Lahustumise lõpp=60s
Reaktsiooni algus=30s
Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel : 3,208 min
30/60=0,5min, Stopperi ja juhtivuse ajaline samm on 3,208-0,5=2,708 min
Tabelis arvutatud aeg minutites on oluline graafiku jaoks.
Time seconds Channel 1 Juhtivus Jrk nr Aeg
V μS t+2,708
0
0,661
3305
1
2,708
1055
6,961296046
-0,20498
5
0,663
3315
2
2,791333
1045
6,951772164
-0,19994
10
0,667
3335
3
2,874667
1025
6,932447892
-0,19624
15
0,67
3350
4
2,958
1010
6,91770561
-0,19223
20
0,674
3370
5
3,041333
990
6,897704943
-0,18892
25
0,677
3385
6
3,124667
975
6,882437471
-0,1853
30
0,68
3400
7
3,208
960
6,866933284
-0,18186
35
0,683
3415
8
3,291333
945
6,851184927
-0,1786
40
0,687
3435
9
3,374667
925
6,829793738
-0,17592
45
0,69
3450
10
3,458
910
6,8134446
-0,17294
50
0,693
3465
11
3,541333
895
6,796823718
-0,17009
120
0,73
3650
25
4,708
710
6,56526497
-0,13899
180
0,755
3775
37
5,708
585
6,371611847
-0,12054
240
0,775
3875
49
6,708
485
6,184148891
-0,10647
300
0,792
3960
61
7,708
400
5,991464547
-0,09547
620
0,843
4215
125
13,04133
145
4,976733742
-0,06121
800
0,855
4275
161
16,04133
85
4,442651256
-0,05065
1000
0,865
4325
201
19,37467
35
3,555348061
-0,04253
1260
0,871
4355
253
23,708
5
1,609437912
-0,03505
Keskmine k: 0,07482
= 1897 ,16 μS
Siin tabelis on näha, et elektrijuhtivuse mõõtmise algul on ln(k∞ - kt) 7, 8111 , ning tõus on
-0,229
Katse 2.
T=40oC
Lahustumise lõpp= 45 sek
Reaktsiooni algus= 45/2=22,5sek
juhtivust hakkasin mõõtma 2min 11sek
22,5/60=0,375min, Stopperi ja juhtivuse ajaline samm on 2,183- 0,375=1,808 min
Time
Channel
Juhtivus
Aeg
Seconds
V
μS
t+1,808
k
0
0,637
3185
1,808
1925
7,562681
0,404601
10
0,644
3220
1,974667
1890
7,544332
0,379744
20
0,66
3300
2,141333
1810
7,501082
0,370385
30
0,676
3380
2,308
1730
7,455877
0,363225
40
0,693
3465
2,474667
1645
7,405496
0,359121
50
0,709
3545
2,641333
1565
7,355641
0,355335
60
0,725
3625
2,808
1485
7,30317
0,352931
170
0,859
4295
4,641333
815
6,703188
0,342792
260
0,923
4615
6,141333
495
6,204558
0,340259
350
0,959
4795
7,641333
315
5,752573
0,332616
610
1,004
5020
11,97467
90
4,49981
0,316868
800
1,016
5080
15,14133
30
3,401197
0,323155
1000
1,021
5105
18,47467
5
1,609438
0,361834
Keskmine k:0,330544
=1109,399 μS
Siin tabelis on näha, et elektrijuhtivuse mõõtmise algul on ln(k∞ - kt) 8,2942, ning tõus on -0,3281
Keemilise reaktsiooni kiirus kasvab temperatuuri tõustes. Laias temperatuurivahemikus kirjeldab reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist Arrheniuse võrrand:
, kus k- reaktsiooni kiiruskonstant, R – universaalne gaasikonstant , T – absoluutne temperatuur, E – reaktsiooni aktiveerimisenergia.
Reaktsiooni aktiveerimisenergia leidmiseks kahel temperatuuril määratud keskmistest kiiruskonstantidest kasutatakse järgmist võrrandit:
kus k1 - temperatuuril T1 toimunud reaktsiooni kiiruskonstant, k2 – temperatuuril T2 toimunud reaktsiooni kiiruskonstant, E – aktiveerimisenergia, R – universaalne gaasikonstant.
ln(0,07482/0,330544)=E/8,31(1/303-1/313)
E= (1/303-1/313)/8,314 * ln(0,07482/0,330544)=1,2682*10-5 * ln(0,07482/0,330544)=
-1,88*10-5J
Järeldus
Siit saab järeldada, et kõrgema temperatuuri korral on eletrijuhtivuse konstant etaanhappe anhüdriidi lahuses suurem. Ja selgus ka see, et etaanhappe on parem elektrijuht kui etaanhappe anhüdriid.