Laboratorinis darbas Deivis Plaušinaitis Esterio hidrolizės greičio tyrimas. Darbo tikslas. Nustatyti esterio hidrolizės reakcijos greičio konstantą pasirinktoje temperatūroje. Teorinė dalis. Cheminių reakcijų greičio v priklausomybę nuo reaguojančių medžiagų koncentracijos nusako taip vadinamas greičio dėsnis. Bendrai reakcijai cc + dd +... gg + hh +... () jis užrašomas taip: v = k [C] m [D] n () Šiuo atveju [C] ir [D] yra atitinkamų medžiagų (reagentų) molinės koncentracijos. m ir n bendru atveju yra bet kokie skaičiai, vadinami reakcijos laipsniais pagal atitinkamas medžiagas (C ir D...). Dažniausiai m ir n - tai sveiki teigiami nedideli skaičiai, kartais sutampantys su atitinkamų medžiagų stechiometriniais koeficientais c ir d. m ir n gali būti nustatyti eksperimentiniu keliu. m + n +... vadinamas bendru reakcijos laipsniu. Greičio lygtyje proporcingumo dydis k yra vadinamas greičio konstanta. Greičio konstantą k galima nustatyti žinant reakcijos laipsnį. Jei tiriamoji r-ja, pavyzdžiui, yra -mo laipsnio, tuomet jos greičio lygtį galima užrašyti sekančiai: v = k [C] (3) Žinant, kad reakcijos greitis yra reaguojančios medžiagos koncentracijos pokytis per begalo mažą laiko tarpą v = d[c] / dt, tuomet pertvarkius lygtį (3) gauname: d[c] = k dt (4) [C] Lygtį (4) suintegravus rėžiuose nuo 0 iki laiko t (nuo [C]0 iki [C]t), gaunama tap vadinama -mo laipsnio integruota reakcijos greičio lygtis: ln[c] = - k t + ln[c] 0 (5) Lygtis (5) apibūdina ln[c] tiesinę priklausomybę nuo laiko t ( pav.). Tuomet šios tiesės krypties koeficientas yra proporcingas greičio konstantai k: krypties koeficientas ln[c] t ln[c] t ] = -k = = (6) ln[c t Reakcijos greičio konstanta k aprašoma Arenijaus (Arrhenius) lygtimi: k E a RT = A e (7)
arba abi lygties (7) puses išlogaritmavus: Ea ln k = + ln A (8) R T Arenijaus lygtis aprašo reakcijos greičio v (arba greičio konstantos k) priklausomybę nuo sistemos temperatūros T. Šioje lygtyje Ea reakcijos aktyvacijos energija, R idealiųjų dujų būsenos konstanta ir A proporcingumo konstanta susijusi su reaguojančių molekulių susidūrimų dažniu bei geometrija. ln[c] ln[c] ln[c] ln k ln k ln k t t t, s pav.: -mo laipsnio reakcijos greičio lygties grafinės priklausomybės pavyzdys. /T /T /T, K pav.: reakcijos greičio konstantos priklausomybė nuo sistemos temperatūros (Arenijaus lygtis). Nustačius reakcijos greičio konstantos k priklausomybę nuo reaguojančios sistemos temperatūros T, ir pritaikius lygtį (8), galime apskaičiuoti r-jos aktyvacijos energiją Ea. Kadangi lygtis (8) apibūdina lnk tiesinę priklausomybę nuo /T ( pav.), tuomet šios tiesės krypties koeficientas yra proporcingas r-jos aktyvacijos energijai Ea: krypties koeficientas E ln k ln k ln k - a = = = (9) R T T T Klausimai, ruošiantis atlikti šį darbą. Apibūdinkite, kaip jūs suprantate reakcijos greitį. Kokiais vienetais jis gali būti matuojamas? Nuo kokių faktorių jis priklauso? Užrašykite ir paaiškinkite kinetinę lygtį (greičio lygtį, veikiančių masių dėsnį). Apibūdinkite, kaip jūs suprantate reakcijos greičio konstantą. Kokiais vienetais ji gali būti matuojamas? Nuo kokių faktorių ji priklauso? Kokį vaidmenį šioje reakcijoje atlieka HCl? Kas yra reakcijos laipsnis? Kokio laipsnio yra tiriamoji reakcija? Paaiškinkite kaip gaunama (išvedama) integruota kinetinė lygtis, kurią jūs taikysite konstantos apskaičiavimui. Paaiškinkite, kas tai yra reakcijos aktyvacijos energija.
Darbo priemonės ir medžiagos. 00 ml tūrio konusinės kolbutės (7 vnt.), 0 ml pipetė, ml pipetė, 50 ml matavimo cilindras, biuretė, ledo vonelė, vandens vonelė, termostatas, termometras, sekundometras; 0,5 mol/l HCl tirpalas, 0,05 mol/l NaOH tirpalas, fenolftaleino tirpalas, esteris (esterį parenka dėstytojas). Darbo eiga.. Paruošiame ledo vonią. Į ją įstatome penkias 00 ml užkimštas kolbutes, pripildytas po 30 ml vandens.. Į dar vieną tuščią 00 ml kolbutę įpilame 40 ml 0,5 mol/l HCl tirpalo, o į dar kitą - 5 ml pasirinkto esterio. Abi užkimštas kolbutes įstatome į 5 o C temperatūros termostatą (arba kitokią, dėstytojo parinktą temperatūrą). Užsirašome tikslią termostato temperatūrą T. 3. Po 0-0 minučių, kuomet tirpalai įgauna pastovią temperatūrą, imame pipete ml esterio, suleidžiame į druskos rūgšties tirpalą ir staigiai suplakame. Esterio įpylimo laikas yra reakcijos pradžia, todėl jį pasižymime. Kaip įmanoma greičiau su pipete paimame ml pradėjusio reaguoti mišinio ir supilame jį į vieną, ledo vonioje atvėsintą, kolbutę. Šis mėginys atitiks reakcijos pradžios mišinį, t.y. laiko momentu t0. 4. Praėjus 5 min nuo reakcijos, vykstančios termostate, pradžios (esterio supylimo laiko) iš reakcijos kolbutės paimame ml reaguojančio mišinio ir greitai supilame į ledo vonioje stovinčią kolbutę. Tą patį atliekame praėjus 5, 30, 60 ir 90 min. Pastaba: norint nesumaišyti kur koks mėginys supiltas, kolbutes stovinčias ledo vonioje prieš tai reikėtų pasižymėti, užsirašant pvz. numerį arba mėginio paėmimo laiką ar pan.. 5. Visus surinktus mėginius titruojame 0,05 mol/l NaOH tirpalu. Indikatoriumi naudojame fenolftaleiną. Pastaba: titruoti mėginius galima pradėti iškarto po jų paėmimo, prieš tai juos ~5min atvėsinus ledo vonioje. 6. Gautus rezultatus darbo sąsiuvinyje surašome į lentelę: Laikas nuo reakcijos pradžios t, min Titravimui sunaudoto NaOH tirpalo tūris VNaOH, ml 0 V0...... Pastaba: lentelėje užsirašome tikslų mėginio paėmimo laiką. 7. Darbo sąsiuvinyje nubraižome gautų duomenų grafinę priklausomybę (juodraštį): x koordinatėje atidedame laiką t (min) nuo atitinkamo eksperimento pradžios, y titravimui sunaudotą NaOH tūrį VNaOH. Eksperimento rezultatų apskaičiavimas ir duomenų pateikimas. 8. Tolimesniems duomenų apskaičiavimams bei grafiniams pavaizdavimams taikome MsExcel arba panašią programą. Panaudojus titravimo duomenis (sunaudoto 0,05 mol/l NaOH tūrius VNaOH) bei žinant esterio hidrolizės reakcijos lygtį, apskaičiuojame esterio koncentracijas [esterio] (mol/l) reaguojančiame mišinyje atitinkamais laiko momentais. Suskaičiuojame esterio koncentracijų natūrinius logaritmus ln[esterio]. 3
9. Gautus duomenis surašome į lentelę: Laikas Karboksi rūgšties Esterio koncentracija t, s koncentracija, mol/l [esterio], mol/l ln[esterio] 0 [rūgšties]0 [esterio]0 ln[esterio]0......... 0. Braižome gautų duomenų grafinę priklausomybę: x koordinatėje atidedame laiką t (s) nuo reakcijos pradžios, y ln[esterio]. -me paveiksle yra pateiktas tokios grafinės priklausomybės pavyzdys.. Pritaikius lygtį (6) bei -mo paveikslo pavyzdį suskaičiuojame gautos tiesinės priklausomybės krypties koeficientą, bei apskaičiuojame reakcijos greičio konstantą k. Pastaba: tiesinių priklausomybių krypties koeficientus nesunkiai galima surasti panaudojus MsExcel funkciją slope arba pritaikius MsExcel procedūrą Add Trendline..... Padarome išvadas apie: gautos priklausomybės atitikimą tiesei; suskaičiuotos greičio konstantos dydį; atlikto eksperimento patikimumą bei galimas paklaidas. Literatūra.. P.W.Atkins. Physical Chemistry. Sixth edition. Oxford University Press, Oxford, 00.. P.W.Atkins, J.dePaula. Physical Chemistry for the Life Sciences. Second edition. Oxford University Press, Oxford, 006. 3. J.McMurry, R.C.Fay. Chemistry. Fourth edition, Prentice Hall, New Jersey, 003. 4. J.Janickis. Fizikinė chemija. Mintis, Vilnius, 987. 5. V.Daujotis, T.Jankauskas, V.Kaikaris, A.Levinskas, V.Skučas. Fizikinės chemijos laboratoriniai darbai. Vilnius. VU, 986. 4
vardas, pavardė, kursas, grupė data Esterio hidrolizės greičio tyrimas. Laboratorinio darbo rezultatų ataskaita: Esteris, kuris buvo tirtas (pavadinimas ir cheminė formulė) Esterio molinė masė M (g/mol) Esterio tankis ρ (g/cm 3 ) Esterio kiekis pradiniame tirpale n (mol) Pradinio tirpalo tūris (HCl + esteris, ml) Esterio koncentracija pradiniame tirpale [esterio]0 (mol/l) NaOH tirpalo, naudoto titravimui, koncentracija C (mol/l) Esterio hidrolizės reakcijos lygtis: Termostato temperatūra T ( o C) Eksperimento pradiniai duomenys: Laikas nuo reakcijos pradžios t, min Titravimui sunaudoto NaOH tirpalo tūris V NaOH, ml V NaOH, ml t, min 5
Esterio koncentracijos apskaičiavimo viename mėginyje (pvz. antrajame) pavyzdys: Kiti skaičiavimai ir grafikų kūrimas turi būti atlikti su MsExcell arba panašia elektroninių lentelių apdorojimo kompiuterine programa*. Eksperimento duomenys po apskaičiavimo: Laikas t, s Karboksi rūgšties koncentracija, mol/l Esterio koncentracija [esterio], mol/l ln[esterio] Tiesinės priklausomybės ln[esterio] nuo t (s) krypties koeficientas Esterio hidrolizės reakcijos greičio konstanta k reikšmė ir matavimo vienetai Išvados: laboranto parašas, data dėstytojo parašas, data *0-tame darbo eigos punkte paminėti grafikai sukuriami su MsExcell arba panašia elektroninių lentelių apdorojimo kompiuterine programa ir atspausdinami atskirame popieriaus lape (ar lapuose) 6