cw.12_13-kinetyka_octan_etylu.pdf

Ę wiczenie 12, 13.

Kinetyka chemiczna.

Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmuj Ģ cym si ħ szybko Ļ ci Ģ i mechanizmem

reakcji chemicznych w ró Ň nych warunkach.

Szybko Ļę reakcji chemicznej jest zwi Ģ zana z rodzajem reaguj Ģ cych substancji, ich st ħŇ eniem,

temperatur Ģ reakcji oraz obecno Ļ ci Ģ katalizatorów. Badania szybko Ļ ci reakcji maj Ģ na celu

okre Ļ lenie mechanizmu reakcji, jak i równie Ň wyznaczenie równania kinetycznego danej

reakcji. Znajomo Ļę tych dwóch parametrów pozwala tak sterowa ę reakcj Ģ , aby zachodziła ona

w najkorzystniejszych warunkach i z maksymalnym skutkiem (otrzymywanie maksymalnej

ilo Ļ ci produktów).

Według teorii zderze ı , aby dwie lub wi ħ cej cz Ģ steczek mogły ze sob Ģ przereagowa ę i w

efekcie da ę cz Ģ steczk ħ produktu musz Ģ si ħ ze sob Ģ zderzy ę . Prawdopodobie ı stwo takiego

zderzenia jest tym wi ħ ksze im wi ħ cej jest cz Ģ steczek substratów w mieszaninie reakcyjnej, a

wi ħ c im wi ħ ksze jest ich st ħŇ enie.

Szybko Ļę reakcji chemicznej jest zale Ň na od temperatury, w jakiej przebiega ta reakcja.

Prawie zawsze szybko Ļę reakcji ro Ļ nie ze wzrostem temperatury, przy czym nie jest to wzrost

liniowy, lecz wykładniczy. W przybli Ň ony sposób zale Ň no Ļę t ħ podaje reguła van’t Hoffa,

która stwierdza, Ň e wzrost temperatury o 10 ° C powoduje wzrost szybko Ļ ci reakcji 2-4-

krotnie . Reguła van’t Hoffa ma charakter przybli Ň ony i cz ħ sto wyst ħ puje odchylenie od tej

reguły. ĺ ci Ļ lejsz Ģ zale Ň no Ļę szybko Ļ ci reakcji chemicznej od temperatury przedstawia

równanie Arrhenius’a.

( )

(

)

gdzie:

T 0 , T – temperatura w jakiej przebiega reakcja,

E a – energia aktywacji,

R – stała gazowa

Na szybko Ļę reakcji wpływa równie Ň obecno Ļę katalizatora. Jest to substancja, która

powoduje wzrost szybko Ļ ci reakcji poprzez obni Ň enie energii aktywacji. Sama jednak nie

zu Ň ywa si ħ i w niezmienionej postaci pozostaje po reakcji, dlatego te Ň nie uwzgl ħ dnia si ħ jej

w stechiometrycznym równaniu reakcji. Zjawisko przyspieszania reakcji chemicznych przez

katalizator nosi nazw ħ katalizy .

Szybko Ļę reakcji chemicznej zale Ň y zatem od wielu czynników, spo Ļ ród których nale Ň y

wymieni ę :

1. st ħŇ enie reagentów,

2. temperatur ħ ,

3. wyst ħ powanie katalizatora,

4. rodzaj rozpuszczalnika i inne czynniki takie jak np. Ļ wiatło dla reakcji

fotochemicznych.

Podczas przebiegu reakcji chemicznej, st ħŇ enie maleje w wyniku przereagowania kolejnej

ilo Ļ ci cz Ģ steczek a wi ħ c szybko Ļę reakcji ulega ci Ģ głym zmianom w zale Ň no Ļ ci od st ħŇ enia

cz Ģ steczek reaguj Ģ cych w danej chwili. Na takiej podstawie mo Ň na stwierdzi ę , Ň e szybko Ļę

reakcji chemicznej jest wielko Ļ ci Ģ zmienn Ģ i mo Ň na j Ģ okre Ļ li ę zmian st ħŇ enia w czasie.

W najprostszym przypadku, gdy reaguje tylko jeden rodzaj cz Ģ steczek, równanie kinetyczne

reakcji przedstawia si ħ nast ħ puj Ģ co:

gdzie:

c –st ħŇ enie substratu,

t – czas,

k – stała szybko Ļ ci reakcji .

Przekształcaj Ģ c to równanie do postaci:

i przyjmuj Ģ c, Ň e na pocz Ģ tku reakcji chemicznej, czyli dla t =0 st ħŇ enie substratu równe jest c 0

oraz Ň e, po czasie t osi Ģ ga st ħŇ enie c , mo Ň emy powy Ň sze równanie przekształci ę do postaci:

Dzi ħ ki temu równaniu, znaj Ģ c st ħŇ enie pocz Ģ tkowe substratu c 0 oraz st ħŇ enie c po czasie t

jeste Ļ my w stanie wyznaczy ę warto Ļę stałej szybko Ļ ci reakcji chemicznej.

Ilo Ļ ciowo szybko Ļę reakcji chemicznej okre Ļ la si ħ jako zmian ħ st ħŇ enia substratu lub

produktu w jednostce czasu i dla reakcji typu:

równanie okre Ļ laj Ģ ce szybko Ļę reakcji ma posta ę

gdzie:

c A , c B , c C – st ħŇ enia molowe substancji A,B, C .

Z uwagi na to, Ň e st ħŇ enie substratów A i B ulega zmniejszeniu w czasie trwania reakcji

wielko Ļ ci

dc A

dc B

maj Ģ warto Ļ ci ujemne.

Znajomo Ļę mechanizmu reakcji pozwala na uzyskanie informacji nie tylko o tym, jakie

reagenty bior Ģ udział w reakcji ale tak Ň e czy reakcja przebiega bezpo Ļ rednio, czy z etapami

po Ļ rednimi, czy przemiana chemiczna zaszła do ko ı ca. Aby pozna ę mechanizm reakcji

chemicznej nale Ň y uprzednio okre Ļ li ę jej rz ħ dowo Ļę i cz Ģ steczkowo Ļę . W badaniach

kinetycznych zasadnicze znaczenie ma ustalenie rz ħ du reakcji.

Je Ň eli w reakcji bierze udział tylko jedna cz Ģ steczka, wówczas reakcj ħ tak Ģ nazywamy reakcja

jednocz Ģ steczkow Ģ lub monomolekularn Ģ . Szybko Ļę takiej reakcji opisuje równanie

kinetyczne pierwszego rz ħ du:

Je Ň eli reakcja przebiega z udziałem dwóch cz Ģ steczek to reakcja jest dwucz Ģ steczkowa, a jej

szybko Ļę wyra Ň a równanie kinetyczne drugiego rz ħ du:

lub

A c

Je Ň eli w reakcji chemicznym bior Ģ udział trzy cz Ģ steczki to reakcja jest trójcz Ģ steczkowa, a

szybko Ļę takiej reakcji mog Ģ wyra Ň a ę równania kinetyczne:

lub

A c

lub

Sumarycznym rz ħ dem reakcji nazywamy sum ħ wykładników pot ħ gowych w jakich wyst ħ puj Ģ

st ħŇ enia w równaniu kinetycznym. Najcz ħĻ ciej rz Ģ d reakcji nie odpowiada liczbie reaguj Ģ cych

cz Ģ steczek równania kinetycznego.

Dla reakcji przedstawionej sumarycznym równaniem stechiometrycznym:

....... =

........

szybko Ļę reakcji wyra Ň a równanie:

........

rz Ģ d reakcji okre Ļ la suma wykładników:

......

1. Ę wiczenie praktyczne. Wyznaczanie stałej szybko Ļ ci reakcji I rz ħ du dla katalizowanej

kwasem hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) w temperaturze otoczenia (~20

C),

30 ° C, 40 ° C lub innych.

Celem ę wiczenia jest:

wyznaczenie stałej szybko Ļ ci reakcji hydrolizy octanu metylu na podstawie

miareczkowania alkacymetrycznego,

sprawdzenie reguły van Hoff’a,

wyliczenie energii aktywacji dla reakcji hydrolizy octanu metylu z równania

Arrheniusa,

analiza zale Ň no Ļ ci szybko Ļ ci reakcji w tej samej temperaturze od obecno Ļ ci

katalizatora

Sprz ħ t laboratoryjny: ła Ņ nia wodna (termostat), dwie zlewki na min 150 cm 3 , pipeta 5 cm 3

wraz z pompk Ģ , biureta, cylinder miarowy 100 cm 3 , kolba ze szlifem na 250 cm 3 (z korkiem)

stoper, tryskawka

Odczynniki: octan metylu (etylu, butylu) CH 3 COOCH 3 (CH 3 COOCH 3 CH 2 ,

CH 3 COOCH 3 CH 2 CH 2 ), 0,1m HCl, 0,1m NaOH, fenoloftaleina, lód, woda destylowana

Opis ę wiczenia:

W wyniku reakcji hydrolizy octanu metylu (etylu lub butylu) powstaje kwas octowy i

odpowiedni alkohol (metylowy, etylowy, butylowy):

CH 3 COOCH 3 + H 2 O = CH 3 COOH + CH 3 OH

Stopie ı przereagowania odpowiedniego octanu mo Ň e by ę okre Ļ lony na podstawie

miareczkowania powstałego kwasu octowego zasad Ģ sodow Ģ w obecno Ļ ci wska Ņ nika –

fenoloftaleiny. Reakcja ta jest reakcj Ģ dwucz Ģ steczkow Ģ , ale z uwagi na du Ň e st ħŇ enie wody

w porównaniu ze st ħŇ eniem estru, nie ulega ono zmianie i reakcj ħ t ħ mo Ň na traktowa ę jako

reakcj ħ pierwszego rz ħ du. Proces hydrolizy estru przebiega bardzo powoli. Mo Ň na go

przyspieszy ę przez dodanie jonów wodorowych, które katalizuj Ģ reakcj ħ . Dlatego te Ň w

Ļ rodowisku kwa Ļ nym reakcja ta przebiega znacznie szybciej.

Stał Ģ szybko Ļ ci tej reakcji oblicza si ħ na podstawie wzoru:

303

log

gdzie:

V - obj ħ to Ļę zu Ň yta do miareczkowania odpowiadaj Ģ ca całkowitemu przereagowaniu

V - obj ħ to Ļę pierwszego miareczkowania,

V - obj ħ to Ļę zu Ň yta do miareczkowania po czasie t .

lub na postawie wykresu zale Ň no Ļ ci

log

t =

( )

Wykonanie do Ļ wiadczenia:

1. Do kolby ze szlifem na 250 cm 3

a. wla ę 100 cm 3 0,1m HCl i odstawi ę na około 10-15 minut, (wy Ň sze temperatury

- wstawi ę do ła Ņ ni wodnej) – reakcja katalizowana kwasem

b. wla ę 100 cm 3 wody destylowanej odstawi ę na około 10-15 minut, (wy Ň sze

temperatury - wstawi ę do ła Ņ ni wodnej) – reakcja niekatalizowana

2. Do dwóch zlewek na min 150 cm 3 (przeznaczonych do miareczkowania) wla ę około

10-20 cm 3 wody destylowanej ozi ħ bionej lodem,

3. W celu zapocz Ģ tkowania reakcji wla ę 100 cm 3 CH 3 COOCH 3 (CH 3 COOCH 3 CH 2 ,

CH 3 COOCH 3 CH 2 CH 2 ), do kolby ze szlifem zawieraj Ģ c Ģ 0,1m HCl lub wod ħ

destylowan Ģ (w zale Ň no Ļ ci od przeprowadzanej reakcji – katalizowanej lub

niekatalizowanej),

4. Energicznie wstrz Ģ sn Ģę kolb ħ i NATYCHMIAST przenie Ļę po 5 cm 3 roztworu do

dwóch zlewek zawieraj Ģ cych ozi ħ bion Ģ wod ħ , uruchomi ę stoper,

5. Kolb ħ z mieszanin Ģ kwasu (wody) oraz estru pozostawi ę w odpowiednich warunkach

temperaturowych.

6. Miareczkowa ę utworzony kwas octowy (wobec fenoloftaleiny) a Ň do uzyskania

trwałego ró Ň owego zabarwienia, (miareczkowanie wykona ę dla dwóch próbek w tym

samym czasie),

7. Miareczkowa ę kolejne porcje roztworu co pewien okres czasu, np.: co 5 minut (0, 5,

10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 minut).

8. Ostatni pomiar wykona ę po pewnym dłu Ň szym czasie ~90 minutach.

Opracowanie wyników:

1. Warto Ļ ci zmierzone podczas zaj ħę zebra ę w tabeli:

t [s]

V NaOH [cm 3 ]

log

0 ( V 0 )

300

600

900

1200

1500

....

pomiar ostatni np. po

5400 ( V µ )

warto Ļę Ļ rednia k Ļ r =

2. Sporz Ģ dzi ę wykres zale Ň no Ļ ci

log

t =

( )

- papier milimetrowy lub w

arkuszu kalkulacyjnym Excel,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: