FK labor 8: Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine (0)

TTÜ
Materjaliteaduse instituut
füüsikalise keemia õppetool
Töö nr 8.
Töö pealkiri: Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine
Üliõpilase nimi ja eesnimi :
Õpperühm
Töö teostamise
kuupäev:
Kontrollitud:
Arvestatud:
Töö ülesanne.
Töös määratakse tasakaalukonstant lahuses toimuvale reaktsioonile
CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 + H2O.
Sissejuhatus. Eeltoodud reaktsioonile on termodünaamiline tasakaalukonstant avaldatav tasakaalu olukorras mõõdetud produktide ja lähteainete aktiivsuste kaudu:
kus
ai – komponendi aktiivsus lahuses
Ci – komponendi tasakaalne molaarne kontsentratsioon, mol/L
γi – komponendi aktiivsustegur lahuses molaarsuse järgi1
Aktiivsustegureid on võimalik määrata aururõhu mõõtmise teel ja elektrokeemiliste meetoditega. Kui puuduvad andmed komponentide aktiivsustegurite kohta, on sobiv kasutada näilist tasakaalukonstanti K'C, mis avaldatakse molaarsete kontsentratsioonide Ci kaudu:
Termodünaamiline ja näiline tasakaalukonstant on omavahel seotud järgmiselt:
Antud süsteemis on lahuses mitteelektrolüüdid ja mitteelektrolüütide aktiivsustegurid loetakse üldjuhul võrdseks ühega.
Kuna molaarse kontsentratsiooni saamiseks tuleb kõikide komponentide moolide arvud läbi jagada ühe ja sama arvuga (lahuse ruumalaga), siis võib KC' avaldisse panna antud juhul lihtsalt moolide arvud viimasest tabelist (kõik kontsentratsioonid on esimeses astmes ja lahuse ruumala taandub välja).
Antud töös määrataksegi näiline tasakaalukonstant, mis on konstantne küllalt suures kontsentratsioonide piirkonnas.
Selle reaktsiooni tasakaal saabub aeglaselt. Käesolevas töös kasutatakse tasakaaluoleku kiiremaks saavutamiseks katalüsaatorina HCl. Katalüsaatori kontsentratsioon on küllalt suur, et muuta vee happesust ja mõjutada tasakaalukonstandi arvväärtust, kuid kindla HCl kontsentratsiooni puhul igas segus on tasakaalukonstant püsiv. HCl lisatakse ainult katalüsaatorina reaktsiooni kiirendamiseks, ta ei võta osa reaktsioonist.
Tööl on praktiline tähtsus iga keemilise sünteesi jaoks, kus on vaja teada teoreetilist saagist antud lähteainete kontsentratsiooni puhul. Arvutusi saab teha teades vastava reaktsiooni tasakaalukonstanti, eeldades, et aeg on küllaldane tasakaalu saavutamiseks.
Töövahendid.
Bürett, 5-ml pipett , 2-ml pipett, 1-ml pipett, neli 50-ml mahuga korgiga suletavat kuiva kolbi, kaaluklaas.
Reaktiivid .
~0,5 M NaOH lahus (täpne kontsentratsioon pudelil), ff indikaator , etüületanaat (etüülatsetaat), 3 M HCl lahus, 100%‑ne etaanhape (jää-äädikhape), absoluutne etanool, destilleeritud vesi.
Katse käik.
NB! Iga reaktiivi jaoks on eraldi pipett. Kahte 50-m1 mahuga 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 korgiga suletavasse täiesti kuiva kolbi valmistada vastavalt praktikumi juhendaja korraldusele segu:
d) 5 ml 3 M HCl + 2 ml etüületanaati + 3 ml vett
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 korgid 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 (ja ka kõikides teistes) segudes ja kaaluda täpsetel kaaludel. Pipett lastakse tühjaks voolata otse kaaluklaasi. Seejärel pipeteeritakse sinna (lisaks) samapalju etüületanaati, etanooli või etaanhapet , kui on vaja võtta reaktsioonisegu (a, b, c,... või g) valmistamiseks ja kaalutakse uuesti. Järgmiseks pipeteeritakse sinna lisaks niipalju vett kui on vaja võtta reaktsioonisegu valmistamiseks (segus b näiteks 1 ml). Kaalumist jätkatakse kuni kõik reaktsioonisegusse lisatavate reaktiivide ja vee kogused on kaalutud. Eeldatakse, et need kogused jäävad samaks kõikide segude korral.
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 (ainult soolhape ja vesi – kaks esimest kolbi) tiitrida kohe praktikumi lõpus, reageeriv segu kõige varem 48 tunni möödudes, veel parem nädala pärast (järgmises praktikumis ).
Arvutused.
Vee hulk igas kolvis katse algul on leitav, lisades katseks võetud destilleeritud vee massile 3 M soolhappelahuses sisalduva vee massi. Viimane arvutatakse, lahutades 5 ml 3 M HCl lahuse massist (mis määrati kaalumise teel) selles sisalduva HCl tiitrimise teel määratud massi. Samapalju vett viiakse koos soolhappega ka reaktsioonisegusse
VNaOH CM, NaOH = nHCl
m = n · M(HCl)
Reaktsioonis tekkiva etaanhappe hulk tasakaaluolukorras igas kolvis arvutatakse lähtudes tasakaalulise lahuse tiitrimiseks kulutatud NaOH moolide arvust, millest lahutatakse esimese segu (taustareaktiivid) tiitrimiseks kulunud NaOH moolide arv (vt andmete esitamise tabel).
Kui on tasakaalureaktsiooni stöhhiomeetria alusel välja arvutatud kõigi nelja aine hulk tasakaalusegus , saab arvutada näilise tasakaalukonstandi K´C.
Erinevalt tõelisest tasakaalukonstandist, sõltub K´C väärtus mõningal määral kontsentratsioonidest ja on mõjutatud lisatud soolhappest.
Katseandmed
Uuritud segu: 5 ml 3 M HCl + 2 ml etüületanaati + 3 ml vett
Tühja kaaluklaasi mass: 47,419 g
5 mL 3M soolhappelahuse mass 52,685 - 47,419 = 5,266 g
Reaktsioonisegusse lisatud vee mass 55,702 – 52,685 = 3,017 g
Reaktsioonisegusse lisatud etüületanaadi mass 57,502 - 55,702 = 1,8 g
HCl lahuse tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5100 n
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb I: 30,7 mL
kolb II: 30,5 mL
keskmine: 30,6 mL
Tasakaalusegu tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5100 n
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb III: 63,6 mL
kolb IV: 63,1 mL
keskmine: 63,35 mL
Katseandmete töötluse arvutused:

5 mL 3M (3n) HCl lahuse mass
mlahus = 52,685 - 47,419 = 5,266 g

5 mL 3M (3n) HCl tiitrimiseks kulunud 0,5100 M (n) NaOH
VNaOH=
= 30,6 mL
VNaOH · CM, NaOH = nNaOH
nNaOH = 30,6 · 10-3 · 0,5100 = 0,0156 mol

HCl mass lahuses:
VNaOH · CM, NaOH = nHCl
M(HCl) = 1+ 35,46 = 36,46
mHCl = MHCl · nHCl = 36,46 · 0,0156 = 0,569 g

Vee mass HCl lahuses
mvesi = mlahus – mHCl = 5,266 – 0,569 = 4,697 g

HCl lahusega lähtelahusesse viidav vesi
mvesi = mlahus – mHCl = 5,266 – 0,569 = 4,697 g
M (H2O) = 2·1 + 16 = 18
nvesi =
= 0,2609 mol

Lähtelahusesse lisatud vesi
mlähtev. =55,702 – 52,685 = 3,017 g
M (H2O) = 2·1 + 16 = 18
nvesi =
= 0,1676 mol

Kokku vett lähtelahuses
mvesi = mlähtev + mH2O = 3,017 + 4,697 = 7,714 g
M (H2O) = 2·1 + 16 = 18
nvesi =
= 0,4286 mol

Etüületanaati lähtelahuses
metüület. =57,502 – 55,702= 1,800 g
M (CH3COOC2H5) = 12+3·1+12+16+16+2·12+5·1 = 88
nvesi =
= 0,0205 mol

Tasakaalusegu tiitrimiseks kulunud 0,5100 M (n) NaOH
VNaOH=
= 63,35 mL
VNaOH · CM, NaOH = nNaOH
nNaOH = 63,35 · 10-3 · 0,5100 = 0,0323 mol

Etaanhappega reageerinud NaOH moolide arv (n = n2 – n1)
n = n2 – n1 = 0,0323 – 0,0156 = 0,0167 mol

Etaanhappe moolide arv tasakaalusegus (n)
etaanhappe moolide arv segus on sama, mis etaanhappega reageerinud NaOH moolide arv.
Tabel. Katseandmete töötlus
I ja II kolvi keskmine
5 mL 3M (3n) HCl lahuse mass
5,266
g
5 mL 3M (3n) HCl tiitrimiseks kulunud
0,5100 M (n) NaOH
30,6
mL
0,0156
mol (n1)
HCl mass lahuses
0,569
g
Vee mass HCl lahuses
4,697
g
III ja IV kolvi keskmine
HCl lahusega lähtelahusesse viidav vesi
4,697
g
0,2609
mol
Lähtelahusesse lisatud vesi
3,017
g
0,1676
mol
Kokku vett lähtelahuses
7,714
g
0,4286
mol
Etanooli lähtelahuses

• 
  

g

• 
  

mol
Etüületanaati lähtelahuses
1,800
g
0,0205
mol
Etaanhapet lähtelahuses

• 
  

g

• 
  

mol
Tasakaalusegu tiitrimiseks kulunud
0,5100 M (n) NaOH
63,35
mL
0,0323
mol (n2)
Etaanhappega reageerinud NaOH
moolide arv (n = n2 – n1)
0,0167
mol
Etaanhappe moolide arv tasakaalusegus (n)
0,0167
mol
Tabel. Tasakaalusegu koostise arvutus
Aine
Mooli lähtelahuses
Reageerib ära
Tekib
Tasakaalus moole
Etaanhape
/segu g/
0,0167
0,0167
Etanool
/ segud e, f/
0,0167
0,0167
Etüületanaat
0,0205
0,0167
0,0038
Vesi
0,4286
0,0167
0,4123
Tasakaalukonstant K'C = ...
=
= 4,8786 ~4,88
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
Termodünaamilistest andmetest lähtudes arvutatakse teoreetiline tasakaalukonstant Ka standardtemperatuuril ja võrreldakse seda katselisel teel saadud tulemusega.
G0 = H0 – T S0
G0 = – R T ln (Ka)
Arvutused:
Järeldused.
Määrasin esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstanti.
Reaktsiooni tulemusena ja arvutuste järgi sain esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandiks ~ 4,88
Arvutuslik esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstant oli 5,87
Erinevus võis tekkida seoses reaktsiooni kiirusega. Reageeriv segu pidi seisma vähemalt 48 tundi, mina lasin seista nädala, seega reaktsiooni aeg oli väga aeglane. Võimalik, et segu polnud lõpliku tasakaaluolekuni jõudnud ja meie katses mõjutas reaktsiooni ka lisatud HCl, sest lahuste kogused olid väikesed.
Samuti võis erinevus tekkida segu komponentide pipeteerimisel ja kuna etüületanaat on väga lenduv, siis võis ka korgi vahelt lekkida osa etüületanaadist välja.
Kasutatud kirjandus:

Praktikumi tööde juhendid, FK8. Esterdamise reaktsiooni tasakaalukonstandi määramine, https://moodle.e-ope.ee/course/view.php?id=3714
1 Avaldatakse ka moolimurdude järgi, sel juhul kasutatakse molaarse kontsentratsiooni asemel moolimurdusid