Füüsikalise keemia õppetool - ESTERDAMISE REAKTSIOONI TASAKAALUKONSTANDI MÄÄRAMINE (0)

TTÜ Materjaliteaduse Instituut
Füüsikalise keemia õppetool
Töö nr. 8

ESTERDAMISE REAKTSIOONI TASAKAALUKONSTANDI MÄÄRAMINE

Üliõpilane: Hanna -Liina Koort
Kood : 103912KAKB
Töö teostatud : 16.02.2012
....................................
märge arvestuse kohta,
õppejõu allkiri
Tallinn 2012
Töö ülesanne.
Töös määratakse tasakaalukonstant lahuses toimuvale reaktsioonile
CH3COOH + C2H5OH D 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.
Töö 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 üks järgmistest segudest:
c) 5 ml 3 M HCl + 3 ml etüületanaati + 2 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 ).
Teoreetiline põhjendus, valemid.
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 + 3 ml etüületanaati + 2 ml vett
Tühja kaaluklaasi mass: 45,174g
5 mL 3M soolhappelahuse mass 5,224g
Reaktsioonisegusse lisatud 3 ml etüületanaati mass3,686 g
Reaktsioonisegusse lisatud2ml vett mass1,945g
HCl lahuse tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5180
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb I32,5 mL
kolb II: 30,5 mL
keskmine: 31,5mL
Tasakaalusegu tiitrimiseks kasutatud NaOH lahuse kontsentratsioon: 0,5180
Tiitrimiseks kulunud lahuse ruumala
kolb III: 73,7 mL
kolb IV: 70,6 mL
keskmine:71 mL
Kolbi III tiitrimiseltoimus värvuse muutus veidi varem, jäime hiljaks . Selle pärast valime keskmiseks 71 mL.
Arvutused
1)Vee mass:
V2=(32,5+30,5)/2=31,5 ml
V1 CM1 = V2 CM2 => CM1=(31,5*0,5180)/5=3,2634 M
CM = n/V => n=5*3,2634=16,317 mmol=0,016317 mol
m = n · M(HCl) => m=36,46*0,016317 =0,5949g (HCl)
Vesi: m=5,224-0,5959=4,6291 g (HCl lahusesolevvesi)
Kokku: a) m=4,972g+4,629g=9,601g n=9,601/18=0,5334mol b)m=1,945g+4,629g=6,574g n=0,365mol
2)Etüületanaati lähtelahuses, mooli : n==2,686g/88,1gmol-1=0,030 mol
3)Tasakaalu segus etaanhappe tiitrimiseks kulunud NaOH ml ja moolidearv:
V=70,6-31,5=39,1 ml / V=71-31,5,75=39,5 ml
Etüületanaati ja H2O reageerib ära:
Iga reaktsioonil tekkinud etaanhappe moolikohta tekib 1 mool etanooli ja kaob 1 mool vett ning 1 mool etüületanaati
n=0,0391 dm3*0,5180M =0,0203mol / n=0,0395 dm3*0,5180M =0,0205mol
4)Etüületanaat ja H2O tasakaalusegu
Etüületanaat: 0,030- 0,0203=0,00497 mol
Vesi: 0,365- 0,0203=0,3447mol
Katseandmed esitatakse järgmiste tabelite kujul:
I ja II kolvi keskmine
5 mL 3M (3n) HCl lahuse mass
5,224
g
5 mL 3M (3n) HCl tiitrimiseks kulunud
0,5180 M (n) NaOH
31,5
mL
0,017
mol (n1)
HCl mass lahuses
0,595
g
Vee mass HCl lahuses
4,629
g
III ja IV kolvi keskmine
HCl lahusega lähtelahusesse viidav vesi
4,629
g
0,257
mol
Lähtelahusesse lisatud vesi
1,945
g
0,108
mol
Kokku vett lähtelahuses
6,574
g
0,365
mol
Etanooli lähtelahuses
g
mol
Etüületanaati lähtelahuses
2,686
g
0,03
mol
Etaanhapet lähtelahuses
g
mol
Tasakaalusegu tiitrimiseks kulunud
0,5180M (n) NaOH
71
mL
0,037
mol (n2)
Etaanhappega reageerinud NaOH
moolide arv (n = n2 – n1)
0,0203
mol
Etaanhappe moolide arv tasakaalusegus
0,0203
mol(n)

Tabel. Tasakaalusegu koostise arvutus

Aine
Mooli lähtelahuses
Reageerib ära
Tekib
Tasakaalus moole
Etaanhape
/segu g/
0,0203
0,0203
Etanool
/ segud e, f/
0,0203
0,0203
Etüületanaat
0,03
0,0203
0,00497
Vesi
0,365
0,0203
0,3447
5)Tasakaalukonstant.
K’x=(0,00497*0,3447)/0,02032=4,283

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)
6)Teoreetilise tasakaalukonstandi arvutus
ΔH°=-481000-286000+487000+278000= -2000 J/mol
ΔS°= 259+70-161-160= 8 J/mol
ΔG°= -2000-298*8= -4384 J/K*mol
Ka=5,86
Järeldus
Antud töös arvutasin esterdamise reaktsiooni näilise tasakaalukonstandi, mille väärtuseks sain Kx=4,283
Termodünaamilistest andmetest lähtudes arvutatades teoreetiline tasakaalukonstandi sain Ka=5,86
Selles töös ootatud tasakaalukonstant võis erineda kuna reakstsiooni tasakaalu saavutamine võtab palju aega. Meie ootasime 2 nädalt, see ei karanteeri, et tasakaal oleks lõplikult saavutatud. Erinevus või tulla ka doseerimisel, mis muudab tasakaalukonstanti.
Kasutatud kirjandus
Internetis:
Molaarsus ja normaalsus :
http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/chem99/chem99456.ht m
Tasakaalukonstant:
http://www.chemguide.co.uk/physical/equilibria/kc.html
1 Avaldatakse ka moolimurdude järgi, sel juhul kasutatakse molaarse kontsentratsiooni asemel moolimurdusid