ETAANHAPPE ANHÜDRIIDI HÜDRATATSIOONI KIIRUSE MÄÄRAMINE ELEKTRIJUHTIVUSE MEETODIL (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 24f
ETAANHAPPE ANHÜDRIIDI HÜDRATATSIOONI KIIRUSE MÄÄRAMINE ELEKTRIJUHTIVUSE MEETODIL
Üliõpilase nimi:
Õpperühm:
Töö teostamise
kuupäev:
19.03.2014
Kontrollitud:
Arvestatud:
Töö eesmärk
Lahjendatud vesilahuses kulgeva esimest järku reaktsiooni kiiruskonstandi määramine.
(CH3CO)2O + H2O = CH3COOH
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.
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 (valisin 10 sek) ja maksimaalse mõõtmiste arvu (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.
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 kiiruskonstandiga.
Kahel temperatuuril määratud keskmistest kiiruskonstantidest arvutatakse antud reaktsiooni aktiveerimisenergia ja Arrheniuse võrrandi ekspo­nendieelne kordaja.
KATSE 1
Katse temperatuur: 30°C
Lahustumise lõpp 122 s = 2,03 min, reaktsiooni algus 1, 02 min. Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel 4, 73 min.
Aeg katse algusest = stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel – reaktsiooni algus + arvuti aeg (aeg juhtivuse mõõtmise algusest)
stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel – reaktsiooni algus= 4,73 – 1,02= 3,71 min
Aeg katse algusest= 3,71 min + aeg juhtivuse mõõtmise alguses
Jrk
nr
Aeg juhtivuse mõõtmise algusest, s
Juhtivus
V
Aeg katse algusest t
min
Juhtivus
µS
3.
30
0,566
4,21
2830
1300
7,170119543
0,205102256
4.
40
0,641
4,38
3205
925
6,829793738
0,274841622
5.
50
0,647
4,54
3235
895
6,796823718
0,272417692
6.
60
0,653
4,71
3265
865
6,762729507
0,269823893
7.
70
0,659
4,88
3295
835
6,727431725
0,267657442
8.
80
0,665
5,04
3325
805
6,690842277
0,266420191
9.
90
0,67
5,21
3350
780
6,65929392
0,263782365
10.
100
0,676
5,38
3380
750
6,620073207
0,26273733
11.
110
0,681
5,54
3405
725
6,586171655
0,261268662
12.
120
0,686
5,71
3430
700
6,551080335
0,259635675
18.
180
0,712
6,71
3560
570
6,345636361
0,251559416
24.
240
0,732
7,71
3660
470
6,152732695
0,243951666
30.
300
0,749
8,71
3745
385
5,953243334
0,238846924
36.
360
0,763
9,71
3815
315
5,752572639
0,234915283
66.
660
0,804
14,71
4020
110
4,700480366
0,226588693
96.
960
0,823
19,71
4115
15
2,708050201
0,270195324
102.
1020
0,826
20,71
4130
0
 
Keskmine k= 0,254359
= 3082,82
= 1047,18
Aeg, min
väärtus
KATSE 2
Katse temperatuur: 40°C
Lahustumise lõpp 51 s = 0,85 min, reaktsiooni algus 0,425 min. Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel 2,57 min.
Aeg katse algusest = stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel – reaktsiooni algus + arvuti aeg (aeg juhtivuse mõõtmise algusest)
stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel – reaktsiooni algus= 2,57 – 0,425= 2,145 min
Aeg katse algusest= 2,145 min + aeg juhtivuse mõõtmise alguses
Jrk
nr
Aeg juhtivuse mõõtmise algusest, s
Juhtivus
V
Aeg katse algusest t
min
Juhtivus
µS
1.
0
0,689
2,145
3445
1395
7,240649694
0,436061043
2.
10
0,697
2,31167
3485
1355
7,211556733
0,417207166
3.
20
0,711
2,47833
3555
1285
7,158513997
0,410552778
4.
30
0,725
2,645
3625
1215
7,102499356
0,405860596
5.
10
0,739
2,31167
3695
1145
7,043159916
0,490053662
6.
50
0,752
2,97833
3760
1080
6,98471632
0,399983541
7.
60
0,764
3,145
3820
1020
6,927557906
0,396961121
8.
70
0,776
3,31167
3880
960
6,866933284
0,395289586
9.
80
0,787
3,47833
3935
905
6,807934944
0,393310691
10.
90
0,797
3,645
3985
855
6,751101469
0,390918837
11.
100
0,807
3,81167
4035
805
6,690842277
0,389634898
12.
110
0,817
3,97833
4085
755
6,626717749
0,389430134
13.
120
0,826
4,145
4130
710
6,56526497
0,388597265
19.
180
0,869
5,145
4345
495
6,204557763
0,383176457
25.
240
0,898
6,145
4490
350
5,857933154
0,377228231
31.
300
0,919
7,145
4595
245
5,501258211
0,374351633
37.
360
0,934
8,145
4670
170
5,135798437
0,373259938
67.
660
0,965
13,145
4825
15
2,708050201
0,415971885
75.
740
0,968
14,4783
4840
0
 
0
Keskmine k= 0,402414
= 3554,61
= 1285,39
Aeg, min
väärtus
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(0,254359 /0,402414)=E/8,314(1/313-1/303)
E= 8,314/ (1/313-1/303) * ln(0,254359 /0,402414)= 36171,1 J/mol
Järeldus
Katsetulemusest järeldan, et kiiruskonstant on suurem kõrgema temperatuuri juures.