Etaanhappe anhüdriidi hüdratatsiooni kiiruse määramine elektrijuhtivuse meetodil (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 24fk
Töö pealkiri Töö pealkiri Etaanhappe anhüdriidi hüdratatsiooni kiiruse määramine elektrijuhtivuse meetodil
Üliõpilase nimi ja eesnimi
Õpperühm KATB41
Töö teostamise
kuupäev: 26.02.14
Kontrollitud:
Arvestatud:
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.
Töö käik.
Termostaat reguleeritakse juhendaja poolt antud temperatuurile (lubatud temperatuurikõikumised 0,1 - 0,2°C). Termostaati asetatakse 100-ml kolb destileeritud veega.
Lülitatakse sisse arvuti ja käivitatakse programm „PicoLog“. Avaneb aken „PLW Recorder“. Klõpsata „File“ ja rippmenüüst „New settings“.
Avaneb aken „Recording“, millel klõpsata midagi muutmata OK.
Avaneb aken „Sampling Rate“, milles saab valida mõõteintervalli (sobib 5 kuni 10 sekundit) ja maksimaalse mõõtmiste arvu (see peaks olema üsna suur, intervalli 5 sekundit korral näiteks 2000, intervalli 10 sekundit korral vastavalt 1000). Seejärel OK.
Avaneb aken „Converter details“. Valida PicoLog 1012/1216 ja OK. Avaneb aken „Picolog 1012 measurements“. Klikkida „add“ ja valida kanal 1, siis klikkida „options“ ja OK (salvestab seadistused ). Avaneb aken „ Parameter Options“. Märgistada „Use parameter Formatting“, siis OK mitu korda, kuni jääb avatuks ainult aken „PLW Recorder“.
Nüüd tuleb teha uus fail andmete jaoks. Selleks klõpsata „File“ ja rippmenüüst „New data“ ning kirjutada faili nimi (kuupäev ja oma nimi), seejärel „save“.
Nüüd on programm valmis juhtivuse mõõtmiseks.
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.
Seejärel lülitatakse sisse juhtivusmõõtja ja alustatakse juhtivuse registreerimist, klõpsates punasel noolel (start recording). Fikseeritakse stopperi näit sel momendil . Tulemusi saab jälgida tabeli või graafiku kujul, klõpsates vastavatel nuppudel. Reaktsioon on lõppenud, kui juhtivus jääb konstantseks. Töö lõpetamisel tuleb klõpsata nuppu „Stop recording“ ja salvestada andmed, klõpsates „File“ ja „Save as“.
Andmete tabeli salvestamiseks Excelis klõpsatakse nuppu „select“ ja seejärel „ copy to the clipboard“. Seejärel avatakse Exceli fail ja asetatakse sinna tabeli andmed (paste). Fail salvestatakse kataloogi FK24 ja sealt mälupulgale.
Juhtivusmõõtja annab väljundi voltides, mis tuleb teisendada millisiimensiteks arvestusega, et 1 V vastab 5 mS-ile.
Valemid
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, s.
Elektrijuhtivuse kasv ajas on võrdeline tekkiva etaanhappe kontsentratsiooniga , kogu tekkiva etaanhappe hulk on aga võrdeline lahustatud etaanhappe anhüdriidi hulgaga. Seega elektrijuhtivse 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 leitud kiiruskonstandiga.
Kahel temperatuuril määratud keskmistest kiiruskonstantidest ( tava­liselt sooritab katse teisel temperatuuril teine üliõpilane) arvutatakse antud reaktsiooni aktiveerimisenergia ja Arrheniuse võrrandi ekspo­nendieelne kordaja.
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.
Mõõtmistulemused
Katse temperatuur: 35˚
Lahuse kontsentratsioon: 1,272 mol/L
CM= = 0,01272 mol/ml= 1,272 mol/L
Lahustumise lõpp 67 s= 1,12 min.
Reaktsiooni algus = 1,12/2 = 0,56 min.
Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamise: 2,92 min.
Aeg katse algusest: 2,92 – ()= 2,358 min
Time
Channel
Juhtivus
jrk nr
aeg
k
second
1
mikrosek
1
t + 2,36
aeg
ln
0
0,648
3240
2
2,358333
1320
7,185387
0,275115
8
0,652
3260
3
2,491667
1300
7,17012
0,266521
16
0,663
3315
4
2,625
1245
7,126891
0,269451
24
0,672
3360
5
2,758333
1200
7,090077
0,269773
32
0,681
3405
6
2,891667
1155
7,051856
0,270551
40
0,689
3445
7
3,025
1115
7,01661
0,270278
48
0,698
3490
8
3,158333
1070
6,975414
0,271911
56
0,706
3530
9
3,291667
1030
6,937314
0,272472
64
0,713
3565
10
3,425
995
6,902743
0,271958
72
0,721
3605
11
3,558333
955
6,861711
0,273299
80
0,728
3640
12
3,691667
920
6,824374
0,273542
88
0,735
3675
13
3,825
885
6,785588
0,274147
96
0,741
3705
14
3,958333
855
6,751101
0,273625
104
0,748
3740
15
4,091667
820
6,709304
0,274924
112
0,753
3765
16
4,225
795
6,678342
0,273576
120
0,759
3795
17
4,358333
765
6,639876
0,274032
184
0,798
3990
25
5,425
570
6,345636
0,27439
248
0,827
4135
33
6,491667
425
6,052089
0,274523
304
0,846
4230
39
7,425
330
5,799093
0,274089
360
0,862
4310
46
8,358333
250
5,521461
0,276699
1713,9
0,912
4560
51
2,56
0
Keskmine
0,273566
Keskmine kiiruskonstant: 0,2736 min-1
Kiiruskonstant graafikult: 0,2738 min-1
Algjuhtivus: 4560-EXP(7,832)= 2034,486
Joonis 1. Temperatuuril 35 kraadi
Katse temp 40˚
Lahuse kontsentratsioon: 1,272 mol/L
Lahustumise lõpp: 58s = 0,97 min.
Reaktsiooni algus = 0,48 min
Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel 2,60 min
Aeg katse algusest: 2,60 – () = 2,595 min
Time
Channel
Juhtivus
jrk nr
aeg
k
second
1
mikrosek
1
t + 2,36
aeg
ln
0
0,683
3415
2
2,595167
1425
7,261927093
0,389907
8
0,689
3445
3
2,7285
1395
7,240649694
0,378651
16
0,701
3505
4
2,861833
1335
7,196686571
0,376372
24
0,712
3560
5
2,995167
1280
7,154615357
0,373664
32
0,724
3620
6
3,1285
1220
7,106606138
0,373084
40
0,734
3670
7
3,261833
1170
7,064759028
0,370663
48
0,745
3725
8
3,395167
1115
7,016609684
0,370288
56
0,755
3775
9
3,5285
1065
6,970730078
0,369299
64
0,764
3820
10
3,661833
1020
6,927557906
0,367642
72
0,774
3870
11
3,795167
970
6,877296071
0,367969
80
0,783
3915
12
3,9285
925
6,829793738
0,367572
88
0,791
3955
13
4,061833
885
6,785587645
0,366389
96
0,799
3995
14
4,195167
845
6,739336627
0,365769
104
0,807
4035
15
4,3285
805
6,690842277
0,365706
112
0,814
4070
16
4,461833
770
6,646390515
0,36474
120
0,821
4105
17
4,595167
735
6,599870499
0,36428
184
0,867
4335
25
5,661833
505
6,224558429
0,36194
248
0,899
4495
33
6,7285
345
5,843544417
0,361188
304
0,919
4595
40
7,661833
245
5,501258211
0,361864
398
0,943
4715
51
9,2285
125
4,828313737
0,373353
1498
0,968
4840
55
27,56183
0
keskmine
0,365076
Keskmine kiiruskonstant: 0,3651 min-1
Kiiruskonstant graafikult : 0,364 min-1
Algjuhtivus= 4840-EXP(8,2738) =920,184
Joonis 2. Temperatuuril 40 kraadi
Keemilise reaktsiooni kiirus kasvab temperatuuri tõustes. Laias temperatuurivahemikus kirjeldab reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist Arrheniuse võrrand:
k=, kus k on reaktsiooni kiiruskonstant, A eksponendieelne tegur, E on aktivatsioonienergia , R universaalne gaasikonstant ja T on absoluutne temperatuur.
Reaktsiooni aktivatsioonienergia leidmiseks kahel temperatuuril määratud keskmistest kiiruskontsantidest kasutatakse järgmist võrrandit:
ln=(-)
Avaldades sellest võrrandist E, saame:
E=
E= = 45529 J/mol
Järeldus:
Võib väita, et katse õnnestus, kuna graafikud tulid üldjoontes lineaarsed ning kiiruskonstant kasvas temperatuuri tõusuga.
Antud meetod sobib kiiruskonstantide leidmiseks, kuna täpsust suurendavad piisavad andmemahud.