实验8乙酸乙酯皂化反应动力学PB

乙酸乙酯皂化反应动力学研究

高士棋

中国科学技术大学材料科学与工程系

1摘要

利用电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数是物理化学的经典实验，只要测定了不同时刻的电导以及始末的电导，我们就可以得到它们反应的速率常数。实验通过测定不同温度下反应溶液（CH3COOC2H5和NaOH的混合溶液）的反应速率常数，进而由阿尔尼乌斯经验公式求得反应的活化能Ea，并了解具有简单级数的化学反应的动力学特征。

2关键词

乙酸乙酯，皂化反应，电导率，反应速率常数，活化能

3序言

乙酸乙酯皂化反应方程式为：

＋－－＋

 CH3COOC2H5＋Na＋OH══ CH3COO＋Na＋C2H5OH

＋

在反应过程中，各物质的浓度随时间而改变（注：Na离子在反应前后浓度不变）。若乙酸乙酯的初始浓度为a，氢氧化钠的初始浓度为b，当时间为t时，各生成物的浓度均为x，此时刻的反应速度为：

dx?k(a?x)(b?x) (10－1) dt式中，k为反应的速率常数，将上式积分可得：

kt?1b(a?x)ln (10－2) a?ba(b?x)dx?k(a?x)2，积分得： dt若初始浓度a=b，9－(1)式变为

kt?x (10－3)

a(a?x)－

不同时刻各物质的浓度可用化学分析法测出，例如分析反应中的OH浓度，也可用物理法测量溶液的电导而求得。在本实验中我们采用后一种方法，即用电导法来测定。

电导是导体导电能力的量度，金属的导电是依靠自由电子在电场中运动来实现的，而电解质溶液的导电是正、负离子向阳极、阴极迁移的结果，电导L是电阻R的倒数。

L?1A?Lg Rl式中A为导体的截面积，l为导体的长度，Lg称电导率。它的物理意义是：当l=1m，A=1m2

时的电导。对一种金属，在一定温度下，Lg是一定的。对电解质溶液的Lg不仅与温度有关，而且与溶液中的离子浓度有关。在有多种离子存在的溶液中，Lg是各种离子迁移作用的总和，它与溶液中离子的数目，离子所带电荷以及离子迁移率有关。在本实验中，由于反应是在较稀的水溶液中进行的，我们可以假定CH3COONa全部电离，反应前后溶液中离子数目

和离子所带电荷不变，但由于CH3COO的迁移率比OH的迁移率小，随着反应的进行，OH－－

不断减少，CH3COO的浓度不断增加，故体系电导率值会不断下降，在一定范围内，可以

－

认为体系的电导率的减少量和CH3COO的浓度x增加量成正比，在t=t时

－－

x?K(L0?Lt) (10－4)

式中L0为起始时的电导率，Lt为t时的电导率。当t=t?时反应终了CH3COO的浓度为a，即：

－

a?K(L0?L?) (10－5)

式中L?即反应终了时的电导率，K为比例常数，将（4）、（5）代入（3）式得：

(L0?Lt) kt??a(Lt?L?)aK(L0?L?)?(L0?Lt)?K(L0?Lt)?或写成：

L0?Lt?akt (10－6)

Lt?L?或

L0?Lt?akLt?akL?(10－7) tL0?Lt对t作图，应得

Lt?L?从直线方程（6）可知，只要测定了L0、L?以及一组Lt值后，利用

一直线，直线的斜率就是反应速度和初始浓度a的乘积。k的单位为dm3·mol-1·min-1。

反应的活化能可根据阿累尼乌斯公式求算：

Edlnk?a2 (10－8) dTRTk2Ea?T2?T1?积分得：ln?? (10－9) ?k1R?T1?T2?式中k1、k2分别对应于温度T1、T2的反应速率常数，R为气体常数，Ea为反应的活化

能。

4实验部分

4.1实验仪器和试剂

 DDS－型电导率仪 1台电导池 1只

恒温槽 1套100mL恒温夹套反应器 1个 0. 5mL移液管 1支 100mL移液管 1支 50mL的烧杯 1个50mL滴定管1支 250mL锥形瓶 3个秒表 1块

吸耳球 1只 CH3COOC2H5试剂（分析纯） NaOH（分析纯）酚酞指示剂溶液

4.2实验步骤

1、打开恒温槽使其恒温在25℃±0.2℃。

2、打开电导率仪。根据附录“电导率仪的使用”对电导率仪进行0点及满刻度校正。并认真检查所用电导电极的常数，并用旋钮调至所需的位置。 3、NaOH溶液的配制：（室温下）

用一个小烧杯配制少量的浓NaOH溶液，在1000ml的广口瓶装入约900ml的蒸溜水，将所选用实验仪器的测量电极插入水中

（1）如果选用电导率仪测量，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓浓NaOH溶液到L=1300～1400μS/cm

（2）如果选用离子分析仪测量，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓浓NaOH溶液到PH=12.00左右。

4、NaOH溶液的滴定：（室温下）

将配制好的NaOH溶液用人工手动滴定管和酚酞指示剂在室温下进行浓度测定，重复三次以上，取平均值。 5、L0（或PH0）的测定：（冬天25.00℃或夏天30.00℃） 取100ml配制且滴定好的NaOH溶液置于恒温夹套反应器中，插入洗净且吸干水的测量电极，恒温10分钟，等电导仪上的读数稳定后，每隔1分钟读取一次数据，测定三个平行的数据。

6、Lt（或PHt）的测定：（冬天25.00℃或夏天30.00℃）

完成L0（或PH0）的测定后，使用小容量的移液管移取所需用量的乙酸乙酯，穿过大口玻璃套，将乙酸乙酯全部放入溶液中，不要遗留在玻璃套的内壁上，以免浓度不准。放到一半时打开秒表计时，读数平稳变化后，尽快测量第一组数据，以后每隔1分钟读一次数，15分钟后每隔2分钟读一次数，进行到35分钟后结束。 7、根据需要进行其他测量

8、按步骤5、6和7在第二个温度下进行测量。（冬天30.00℃或夏天35.00℃）

5结果与讨论

5.1实验结果

1、L0和Lt测定

（1）实验温度：23.0℃—24.4℃取t=23.7℃

由原始数据Excel表可得：L0=1524μS/cm，由于L∞无法测量，故作（L0-Lt）/t~Lt图如下：

由图可知：（L0-Lt）/t=7.403×10-4Lt-0.352

－

反应终了CH3COO的浓度a=0.00637mol/L，

所以反应的速率常数为：k（30.4℃）=0.116L/mol·s

（2）实验温度：26.5℃—28.5℃取t=27.5℃

由原始数据Excel表可得：L0=1636μS/cm，由于L∞无法测量，故作（L0-Lt）/t~Lt图如下：

由图可知：（L0-Lt）/t=8.828×10-4Lt-0.510

－

反应终了CH3COO的浓度a=0.00637mol/L，

所以反应的速率常数为：k（30.4℃）=0.139L/mol·s

2、活化能计算

由阿尔尼乌斯公式求活化能：

k2Ea?T2?T1???ln?k1R?T1?T2?

k（23.7℃）=0.116L/mol·s k（27.5℃）=0.139L/mol·s

代入公式计算可得：Ea=35.32KJ/mol

5.2结果分析

由阿尔尼乌斯公式求得的活化能数值为35.32KJ/mol，而活化能的标准值为：47.3KJ/mol，所以其相对误差为：（47.3-35.32）/47.3=25.33%。实验所得值与实际值有一定误差，但在量级上基本准确。

本实验所做的（L0-Lt）/t~Lt关系曲线总体线性关系较好，但是每次实验刚开始的时候，都会有较多数据点偏离拟合曲线，这应该是试验装置不稳定造成的，3分钟之后线性关系变得相当好，可以认为实验较为准确。

5.3误差分析

1、实验过程中所加的乙酸乙酯与氢氧化钠浓度不一致，这是实验误差的主要来源。因为浓度不一致，则实验假设前提a=b不成立，反应速度方程与题设不一致，所得的数据肯定有很大偏差。造成乙酸乙酯浓度偏差的原因有：

a）实验所提供的仪器-移液管只有0.5ml的，最小刻度为0.01ml，而实验要求的乙酸乙酯体积为0.062ml，由于不能精确量取而造成误差。

b）实验过程中由于天气原因，室温比较高，乙酸乙酯的密度可能发生了变化，造成乙酸乙酯浓度不等于氢氧化钠浓度。

c）移液管加入乙酸乙酯时，移液管口易碰触到玻璃套，会造成损失，由于加入乙酸乙酯量极少，故造成误差较大。 d）乙酸乙酯具有一定挥发性，实验时由于塞子没有及时塞上也会造成乙酸乙酯浓度的改变。 e）实验过程中由于氢氧化钠吸收空气中的二氧化碳而浓度降低，使得与乙酸乙酯浓度不一致。

f）实验过程中由于搅拌器出现问题，不能稳定的搅拌，从而导致搅拌不充分（特别是在初始阶段），使得反应器中的氢氧化钠和乙酸乙酯浓度不同。

2、由（L0-Lt）/t~Lt关系曲线可以看出，两次实验开始阶段测得数据误差都很大，推测原因可能为刚滴加入乙酸乙酯时测量电极附近乙酸乙酯浓度较大，此处电导率下降极快，从而导致开始的几个数据与后面的数据拟合较差；此外乙酸乙酯皂化反应是吸热反应，刚加入时会导致溶液温度变化较大，而温度变化也会对电导率有较明显的干扰。若排除这几个数据所得

的实验结果可能会更好。

3、实验中利用恒温槽提供循环水为反应环境保温的方式并不理想，从恒温槽输出的热水在导管中有热量损失，从而导致反应槽很难达到实验要求的25度和30度，同时两次实验中L0的温度与Lt的温度一直发生变化也对实验结果造成了一定的影响。

4、实验中在第一次称取邻苯二甲酸氢钾时没有使用减量法而是用称量纸转移邻苯二甲酸氢钾，可能有少量样品附着在称量纸上，导致实际参与反应的邻苯二甲酸氢钾比计算所使用的量更少，从而使计算得的氢氧化钠浓度偏高。

5、本实验过程中由于氢氧化钠在整个实验过程中都有用，应该用塞子塞上，最好能装配碱石灰吸收装置，以免氢氧化钠浓度变化。

6、实验过程中的移液管量程应该更加小，这样才能精确量取。

5.4对实验的体会和认识

本实验利用电导率的观测对乙酸乙酯皂化反应进行了测量。通过测定在不同温度下氢氧化钠、乙酸乙酯反应体系不同时刻电导率的数值以及Arrhenius公式， 得出乙酸乙酯在30℃、35℃下的反应速度常数和反应活化能Ea。虽然实验结果与理论值有一定得误差，但是数值还在一个数量级上，误差也在此类实验的控制范围内，实验总体达到了预期。

实验中配好的NaOH溶液要保存好，防止空气中 的CO2使其变质； 滴定时注意要一人一支滴定管操作，这样可以降低系统误差中的人为误差和仪器误差。另外由于溶液较稀，滴定时酚酞试剂可稍多加几滴，以使反应终点显色更明显；加入乙酸乙酯一半时要同时开始测量，保证时间的同步；并注意滴定管下口穿过大口玻璃套，将乙酸乙酯全部放入溶液中，尽量不要遗留在玻璃套的内壁上，以免浓度不准；

本实验在调节、等待水温的过程中，极大地锻炼了我们认真耐心的态度；在使用移液管量取溶液、进行标定氢氧化钠溶液的过程中，巩固了分析化学实验的相关实验操作；同时熟练掌握了通过计算机记录、处理、拟合实验数据的能力。

6参考资料

1、【物理化学】（下册）傅献彩等，高等教育出版社 2、【物理化学】(美)V.弗里德等著高等教育出版社， 1983年7月 3、【展望21世纪的化学】王佛松等主编，化学工业出版社，2000年5月

7英文摘要

It is a classical experiment of the physical chemistry to determine the reaction rate constant of saponification of ethyl acetate by electrical conductivity method. We will know the velocity constant of this reaction by measuring the electrical conductivity at different time. In this experiment，we determined rate constants at two temperatures to measure the activation energy of the reaction CH3COOC2H5 and NaOH with Arrhenius’s formula.

附件：数据处理

1、NaOH的滴定

已知邻苯二甲酸氢钾摩尔质量为：204g/mol，乙酸乙酯的摩尔质量为：88.11g/mol，ρ=0.900g/ml 滴定实验编号 邻苯二甲酸氢钾质量/g NaOH溶液体积/ml NaOH溶液浓度/mol/L NaOH溶液浓度平均值/mol/L 1 0.0300 23.05 0.006373 0.006378 2 0.0316 23.42 0.006605 3 0.0382 30.40 0.006155 NaOH与乙酸乙酯1：1反应

计算得刀应加入乙酸乙酯0.06243ml，试验中近似加入0.062-0.063 mL 2、L0和Lt测定

（1）实验温度：23.0℃—24.4℃取t=23.7℃

由原始数据Excel表可得：L0=1524μS/cm，由于L∞无法测量，故作（L0-Lt）/t~Lt图如下：

由图可知：（L0-Lt）/t=7.403×10Lt-0.352

－

反应终了CH3COO的浓度a=0.00637mol/L，

所以反应的速率常数为：k（30.4℃）=0.116L/mol·s

（2）实验温度：26.5℃—28.5℃取t=27.5℃

由原始数据Excel表可得：L0=1636μS/cm，由于L∞无法测量，故作（L0-Lt）/t~Lt图如下：

-4

由图可知：（L0-Lt）/t=8.828×10Lt-0.510

－

反应终了CH3COO的浓度a=0.00637mol/L，

所以反应的速率常数为：k（30.4℃）=0.139L/mol·s

3、计算活化能

由阿尔尼乌斯公式求活化能：

-4

k2Ealn?k1R?T2?T1????T1?T2?

k（23.7℃）=0.116L/mol·s k（27.5℃）=0.139L/mol·s

代入公式计算可得：Ea=35.32KJ/mol

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rg0o.html