FK 24, Etaanhappe anhüdriidi hüdratsiooni määramine (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. FK24
Töö pealkiri: Etaanhappe anhüdriidi hüdratsiooni kiiruse määramine elektrijuhtivuse meetodil
Üliõpilase nimi ja eesnimi :
Õpperühm:
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:

Töö ülesanne

Lahjendatud vesilahuses kulgeva eimest järku reaktsiooni (CH3CO)2O + H2O = CH3COOH kiiruskonstandi määramine.
Reaktsiooni kineetikat uuritakse elektrijuhtivuse mõõtmise teel, mis laseb reaktsiooni pidevalt jälgida ilma, et peaks võtma proove. Süsteemi elektrijuhtivus kasvab oluliselt etaanhappe moodustumise tõttu.

Katse käik

Reguleerisin termostaadi 30⁰C juurde. Kui termostaat oli saavutanud sellise temperatuuri, panin sinna kolvi destilleeritud veega ning sättisin arvutis valmis programmi „PicoLog“.
Mõõtsin 50 mL-sse mõõtekolbi 6 ml äädikhappe anhüdriidi ja täitsin seejärel kolvi õige mahuni termostaadis olnud destilleeritud veega, kusjuures etaanhappe lahustumise algmomendil käivitasin stopperi . Stopperi jätsin käima kuni katse lõpuni. Stopperilt sain fikseerida ka lahustumise alg- ja lõppmomendi.
Juhtivusnõu loputasin uuritava lahusega ja seejärel täitsin sellesama lahusega. Asetasin juhtivusnõu termostaati ja loksutasin, et saavutada püsivat temperatuuri.
Lülitasin sisse juhtivusmõõtja, alustasin mõõtmist programmiga ning fikseerisin sellele vastava aja ka stopperi. Selle põhjal sain hiljem ühisele ajateljele viia käsitsi fikseeritud ja arvutiprogrammi poolt registreeritud juhtivuse väärtused.
Reaktsioon lugesin lõppenuks, kui juhtivus oli jäänud konstantseks.
Salvestasin andmed ning printisin välja.

Teoreetiline põhjendus ja valemid

Uuritav reaktsioon on esimest järku, järelikult saab arvutused teha vastavalt võrrandile:
, kus
k – reaktsiooni kiiruskonstant
c0 – etaanhappe anhüdriidi algkontsentratsioon
c0-cx – etaanhappe anhüdriidi kontsentratsioon ajamomendil t reaktsiooni algusest
cx – ajamomendiks t ärareageerinud anhüdriidi kontsentratsioon
t – aeg reaktsiooni algusest, minutites
Elektrijuhtivuse kasv ajas on võrdeline tekkiva etaanhappe kontsentratsiooniga, kogu tekkiva etaanhape hulk on aga võrdeline lahustunud etaanhappe anhüdriidi hulgaga. Seega elektrijuhtivuse suurenemine kogu reaktsiooni vältel on võrdeline etaanhappe anhüdriidi algkontsentratsiooniga.
Tähistatud on nii:
χ0 – lahuse elektrijuhtivus reaktsiooni alghetkel
χt – elektrijuhtivus antud momendil t
χ∞ - viimane mõõdetud elektrijuhtivus, mis on juba konstantne
Siit saame:
, seega
Lahuse juhtivust katse algul ei saa otseselt mõõta, kuna reaktsiooni algusest kuni esimese mõõtmiseni kulub mingi aeg. Sellepärast leitakse χ0 ekstrapoleerimise teel graafikust:
Esimest järku reaktsiooni reaktsiooni punktid peavad neis koordinaatides paiknema sirgel. Saadud sirge lõikumisel ajahetkele t=0 vastava vertikaaliga leitakse , millest arvutatakse χ0.
Reaktsiooni kiiruskonstandi peab arvutama eraldi igale katsepunktile ja leidma neist keskmise. Seda keskmist peab võrdlema graafilise sirge tõusust arvutatud kiiruskonstandiga.

Katseandmed ja arvutused

Katse temperatuur: 30⁰C
Lahuse kontsentratsioon:
Lahustumise lõpp (stopperilt): 46,2 sek = 0,77 min
Reaktsiooni algus: 0,77/2 = 0,385 min
Stopperi näit juhtivuse mõõtmise alustamisel: 2,57 min
Stopperi ja juhtivuse ajaline samm: 2,57-0,385=2,185 min
Mõõtmistulemused on esitatud sellises tabelis:
Tabel 1. Mõõtmistulemused
Aja katse algusest leian t = aeg juhtivuse mõõtmise algusest (min) – stopperi ja juhtivuse ajaline samm = 0 + 2,185 = 2,185 min.
Juhtivusmõõtja andis väljundi voltides, pidin need teisendama millisiimensiteks. Arvestasin, et 1 V on 5 mS.
Joonestasin graafiku, kus on esitatud sõltuvus ln(χ∞ - χt ) ajast.
Joonis 1. ln(χ∞ - χt ) sõltuvus ajast t (min).
Lahuse juhtivust katse algul χ0 ei õnnestu otseselt mõõta, kuna reaktsiooni algusest esimese mõõtmiseni kulub mingi aeg. Seetõttu leidsin χ0 ekstrapoleerimise teel graafikust ln(χ∞ - χt)=f(t). Esimest järku reaktsiooni punktid paiknevad sellel graafikul enam-vähem sirgel. Seega kui pikendan sirget kuni lõikumiseni ajahetkega t=0, saan lugeda graafikult ln(χ∞ - χt) väärtuse, kust saan arvutada χ0. →t = 0, ln(χ∞ - χt) = -1,5
Sellest tulemusest saan saan arvutada χ0:
χ0: e-1,5= χ∞ - χ0→ χ∞-e-1,5=4,29-0,2231=4,0669 S/m
Kiiruskonstandid arvutasin valemiga
Leian tõusude keskmise liites kõik tõusud kokku ja jagades nende arvuga: kkesk=0,3875 min-1.
Sirge võrrand on: y=-0,469x-1,5219
Sellest selgub , et tegelikult on ajahetkel t=0, ln(χ∞ - χt) väärtus -1,5219 ning sellest johtuvalt sirge tõus graafikult k=-0,469 min-1. Kiiruskonstant graafikult 0,469 min-1.
Reaktsiooni aktiveerimisenergia leidmine:
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.

Järeldus

Töö ülesandeks oli lahjendatud vesilahuses kulgeva esimest järku reaktsiooni kiiruskonstandi määramine ning reaktsiooni kineetika uurimine elektrijuhtivuse mõõtmise teel. Süsteemi elektrijuhtivus pidi kasvama ajas etaanhappe moodustumise tõttu ning katsetulemustest on elektrijuhtivuse kasv selgelt näha. Vastupidiselt ennustatavale kasvas meie katses, aga elektrijuhtivus väga kiiresti.
Minu katsel oli lahustumise alg- ja lõppmomenti väga raske määrata, kuni äädikhappe anhüdriid ei olnud päris korralik ning vee lisamisel kahe vedeliku piirpinda ei tekkinud, loksutamisel oli hägu samuti väga vähene ning see kadus väga ruttu. Selle ebamäärasuse tõttu on suure tõenäosusega alg- ja lõppmoment valed ebamäärased.
Graafik pidi tulema lineaarne, mida ta ka enam-vähem on.
Tõusude märgid on vastasmärgilised (graafik vs arvutuslik).