Определение константы скорости и энергии активации реакции гидролиза этилацетата

Цель работы. 1. Измерить константы скорости гидролиза этилацетата при различных температурах. 2. Рассчитать энергию активации реакции омы­ления этилацетата. 3. Рассчитать температурный коэффициент этой реак­ции.

Гидролиз (омыление) этилацетата протекает в соответствии со следующим уравнением:

CH₃COOC₂H₅ + H₂O ↔ C₂H₅OH + CH₃COOH

Скорость этой реакции можно значительно увеличить за счет добавления к раствору соляной кислоты в качестве катализатора. Так как количество воды по сравнению с количеством этилацетата во много раз больше, эту реакцию рассматривают как реакцию, протекающую по уравнению первого порядка. Ско­рость реакции будет выражаться уравнением (10), а константа скорости после соответствующего математического преобразования −уравнением (11).

По мере течения реакции гидролиза этилацетата количество уксусной ки­слоты увеличивается и по ее увеличению можно судить о скорости химической реакции. Концентрацию уксусной кислоты удобно определять титрованием смеси раствором едкого натра. Поэтому сущность работы сводится к отбору и титрованию проб смеси через определенные, точно фиксированные промежутки времени. Определяя концентрацию этилацетата в различные моменты времени, можно найти и константу скорости реакции по уравнению (11).

Концентрация этилацетата «а» в момент взятия первой пробы равна увели­чению концентрации уксусной кислоты за время от первой до последней пробы, т. е. пропорциональна разности между количеством миллилитров едкого натра, пошедшего на титрование этих проб. Если на титрование первой пробы пошло b₁ мл NaOH, а на титрование последней пробы - b_∞ мл NaOH, то

где т — коэффициент пропорциональности. Так же для концентрации этилаце­тата (а - х) ко времени t получим:

где b_t - число миллилитров NaOH, пошедшее на титрование пробы, взятой через t мин после первой пробы.

Подставляя значения а и (а - х) в уравнение (2), находим:

(16)

Множитель т в уравнении (16) сокращается. Для определения константы ско­рости реакции к нет необходимости вычислять значение концентрации этилаце­тата, а достаточно лишь знать количество NaOH в миллилитрах, пошедшее на титрование проб.

Оборудование и реактивы: термостаты с установленными температу­рами на 20, 30 и 40 град., три плоскодонные колбочки на 100 мл; шесть кониче­ских колбочек на 200 мл; кристаллизатор со льдом; пипетки на 2 мл; пипетка на 5 мл; бюретки на 50 мл; мерные цилиндры на 5 мл. Фенолфталеин; этилацетат; 1/20 н. раствор NaOH; 0,2 н. раствор НС1.

Выполнение работы

В чистую сухую колбу (желательно с притертой пробкой) емкостью на 100 мл наливают 50 мл 0,2 н. раствора соляной кислоты и помещают ее в термостат (t = 20 °С). Чтобы колба не всплывала, ее закрепляют в штативе. Когда раствор примет температуру термостата (через 10-15 мин), к нему приливают 5 мл этилацетата и, перемешав раствор, тотчас отбирают пипеткой 2 мл реакционной смеси; момент приливания этилацетата считают началом реакции. Колбу с оставшейся смесью плотно закрывают пробкой, чтобы эфир во время опыта не испарялся, и не вынимают из термостата в течение всего опыта.

Взятую пробу выливают из пипетки в другую колбу с 40—50 мл холодной воды (с температурой от 0 до 2°С) для торможения реакции омыления этилацетата. Холодная вода должна быть приготовлена заранее. Для этого в колбу Эрленмейера наливают 40—50 мл дистиллированной воды и ставят ее в сосуд со льдом за 15—20 мин до взятия пробы. Затем пробу титруют раствором едкого натра в присутствии фенолфталеина до появления розового окрашивания, не исчезающего в течение 10—15 сек. Если по каким-либо причинам титрование нельзя провести сразу же после приливания пробы в холодную воду, то колбу с пробой оставляют в сосуде со льдом. По количеству миллилитров раствора NaOH, пошедшего на титрование первой пробы, может быть определена точная концентрация соляной кислоты в растворе (C_t).

Следующие пробы отбирают пипеткой, не вынимая колбы из термостата, примерно через 15, 30, 50, 80 и 120 мин после начала реакции, т. е. после приливания эфира в колбу с соляной кислотой, и титруют, как указано выше. Время вливания проб в холодную воду точно фиксируют и принимают его за время взятия проб, так как можно считать, что реакция в пробе при охлаждении прак­тически останавливается и, следовательно, концентрации вещества, найденные при анализе, будут соответствовать концентрациям их в реакционном сосуде в момент взятия пробы. Так как по мере течения реакции концентрация уксусной кислоты, образующейся при омылении эфира, увеличивается, то при титрова­нии нужно быстро прилить такое количество раствора едкого натра, какое по­шло на предыдущее титрование, а затем уже осторожно дотитровывать раствор.

Чтобы определить начальную концентрацию этил ацетата, необходимо от­титровать уксусную кислоту в пробе, взятой в конце реакции, когда весь эфир гидролизуется, учитывая, что при большом избытке воды равновесие сильно сдвигается вправо и реакция омыления идет практически до конца. При комнат­ной температуре реакция практически заканчивается через 24 ч. Следовательно, для взятия последней пробы колбу с реакционной смесью надо вынуть из тер­мостата и на следующий день оттитровать 2 мл раствора.

Однако реакцию омыления этилацетата можно ускорить. Для этого колбу за­крывают пробкой с обратным холодильником и нагревают на водяной бане при температуре 70 - 80 °С в течение 30 мин. Нужно следить за тем, чтобы конден­сация паров жидкости шла по возможности в нижней части холодильника и эфир не улетучивался из реакционной смеси. После охлаждения раствора про­водят титрование 2 мл пробы и определяют С_о.

Точно так же проводится опыт и при других температурах: 30°С и 40°С. Опыт при температуре 30 °С можно начать приблизительно через 30 - 50 мин, а опыт при 40 °С через 80 - 100 мин после начала опыта при температуре 20 °С. Промежутки времени между отбором отдельных проб нужно уменьшить, так как скорость реакции увеличивается с повышением температуры.

Полученные результаты анализов каждой пробы записывают в таблицу 1:

Таблица 1

Экспериментальные данные процесса гидролиза

№ проб	Время взятия пробы	Время от начала реакции, мин	Объем NaOH, затраченный на титрование, мл	Константа скорости реакции к