FK 8 - Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine (3)

TTÜ Materjaliteaduse Instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. 8
Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine
Üliõpilane
Kood
Töö teostatud
....................................
märge arvestuse kohta,
õppejõu allkiri
Töö ülesanne.
Töös määratakse tasakaalukonstant lahuses toimuvale reaktsioonile
CH3COOH + C2H5OH ↔ CH3COOC2H5 + H20.
Teoreetilised põhjendused, valemid.
Eeltoodud reaktsioonile on termodünaamiline tasakaalukonstant avaldatav tasakaalu olukorras mõõdetud produktide ja lähteainete aktiivsuste kaudu:
kus xi - komponendi moolimurd,
γi - komponendi aktiivsustegur lahuses.
Kui puuduvad andmed komponentide aktiivsustegurite kohta, on sobiv kasutada näilist tasakaalukonstanti K'x, mis avaldatakse moolimurdude xi kaudu:
Termodünaamiline ja näiline tasakaalukonstant on omavahel seotud järgmiselt:
Aktiivsustegureid on võimalik määrata aururõhu mõõtmise teel.
Antud töös kasutatakse näilist tasakaalukonstanti, mis on konstantne küllalt suures kontsentratsioonide piirkonnas.
Reaktsiooni tasakaal saabub aeglaselt. Käesolevas töös kasutatakse tasakaaluoleku kiiremaks saavutamiseks katalüsaatorina HCl. Katalüsaatori kontsentratsioon on küllalt suur, et muuta vee reaktsiooni ja mõjutada tasakaalukonstandi arvväärtust, kuid kindla HCl kontsentratsiooni puhul on tasakaalukonstant püsiv. HCl lisatakse ainult katalüsaatorina reaktsiooni kiirendamiseks, ta ei võta osa reaktsioonist..
Tööl on praktiline tähtsus keemilise sünteesi jaoks, kus on vaja teada teoreetilist saagist antud lähteainete kontsentratsiooni puhul. Arvutusi saab teha teades tasakaalukonstanti, eeldades, et reaktsiooni aeg on küllaldane tasakaalu saavutamiseks.
Aparatuur.
Bürett, 5-ml pipett, 4 50-ml mahuga lihvitud klaaskorgiga suletavat kolbi, kaaluklaas.
Reaktiivid . ~0,5 M NaOH lahus (täpne kontsentratsioon pudelil), ff indikaator , etüületanaat (etüülatsetaat), kontsentreeritud HCl, 100-% etaanhape (jää-äädikhape), absoluutne etanool .
Katse käik.
Kahte 50-m1 mahuga klaaskorgiga suletavatesse 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 klaaskorgiga suletavatesse täiesti kuiva kolbi valmistada
segu: 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 lihvid 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 segus ja kaaluda täpsetel kaaludel. Pipett lastakse tühjaks voolata otse kaaluklaasi. Seejärel pipeteerida sinna (lisaks) samapalju vett kui oli võetud esimeseks katseks ja kaaluda uuesti. Järgmiseks pipeteeritakse sinna lisaks niipalju lahust kui oli võetud teiseks katseks (näiteks 4 ml etüületanaati). Kaalumist jätkatakse kuni kõik katsetes kasutatud reaktiivide ja vee kogused on kaalutud.
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 (soolhape ja vesi) tiitrida kohe praktikumi lõpus, reageeriv segu kõige varem 48 tunni möödudes, veel parem nädala pärast (järgmises praktikumis ).
Katseandmed
Uuritud segu: e) 5 ml 3 M HCl + 4 ml etüületanaati + 1 ml etanooli
Tühja kaaluklaasi mass: 49,611 g
5ml 3M soolhappelahuse mass: 5,214 g
Reaktsioonisegusse lisatud etüületanaadi mass: 3,52 g
Reaktsioonisegusse lisatud etanooli mass: 0,763 g
HCl lahuse tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5160 M
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb I: 30,4 mL
kolb II: 30,5.mL
keskmine: 30,45mL
Tasakaalusegu tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5160M
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb III: 71,5 mL
kolb IV: 71,6.mL
keskmine: 71,55 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
∆S0298=70+259-160-161= 8
∆G0298=-2000-298*8= -4384 J

Katseandmete töötlus

I ja II kolvi keskmine
5 mL 3M (3n) HCl lahuse mass
5,241
g
5 mL 3M (3n) HCl tiitrimiseks kulunud
0,5180 M (n) NaOH
30,45
mL
0,0157
mol (n1)
HCl mass lahuses
0,573
g
Vee mass HCl lahuses
4,668
g
III ja IV kolvi keskmine
HCl lahusega lähtelahusesse viidav vesi
4,668
g
0,259
mol
Lähtelahusesse lisatud vesi
0
g
0
mol
Kokku vett lähtelahuses
4,668
g
0,259
mol
Etanooli lähtelahuses
0,763
g
0,0166
mol
Etüületanaati lähtelahuses
3,52
g
0,04
mol
Etaanhapet lähtelahuses
0
g
0
mol
Tasakaalusegu tiitrimiseks kulunud
0,5180 M (n) NaOH
71,55
mL
0,0369
mol (n2)
Etaanhappega reageerinud NaOH
moolide arv (n = n2 – n1)
0,0212
mol
Etaanhappe moolide arv tasakaalusegus (n)
0,0212
mol
Tasakaalusegu koostise arvutus:
Aine
Mooli lähtelahuses
Reageerib ära
Tekib
Tasakaalus moole
Etaanhape
/segu g/
—
0,0212
0,0212
Etanool
0,0166
­­—
0.0212
0.0378
Etüületanaat
0,04
0,0212
—
0,0188
Vesi
0,259
0,0212
—
0,2378
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):
0,0369-0,0157 = 0,0212 mol
Tasakaalusegus etaanhappe tiitrimiseks kulunud NaOH ml ja moolide arv:
VNaOH=71,55ml
Etüületanaat, etanooli ja H2O tasakaalusegus:
Etüületanaat: 0,04 - 0,0212 = 0,0188 mol
Vesi: 0,259 - 0,0212 = 0,2378 mol
Etanool: 0,0166 + 0,0212 = 0,0388 mol
Tasakaalukonstant
Katsevea arvutus:
Järeldused
Töös määrasin näilise tasakaalukonstandi reaktsioonile:
CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 + H2O
Antud töös arvutasin esterdamise reaktsiooni näilise tasakaalukonstandi, mille väärtuseks sain Kx = 5,57. Teoreetiliseks tasakaalukonstandiks, mille arvutasin on 5,86. Katseviga tuli -5,1%.
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.