Báo cáo thí nghiệm hóa lý: Động học phản ứng thủy phân

Thí nghiệm Hóa Lý, môn thí nghiệm tập hợp các quá trình hóa học, vật lý tiền đề cho các môn Quá trình thiết bị truyền nhiệt, truyền khối. Đây là báo cáo kết quả thí nghiệm nên số liệu chỉ mang tính chất tham khảo, người đọc nên có chọn lọc. Xin chân thành cảm ơn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HÓA LÝ BÀI 4: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG THỦY PHÂN

I MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM

- Xác định phản ứng thủy phân ester trong môi trường kiềm là phản ứng bậc 2

- Nắm vững ý nghĩa của năng lượng hoạt hóa và ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số tốc độ của phản ứng qua hệ thức Arrhénius

- Sử dụng phương pháp chuẩn độ ngược giúp xác định nồng độ NaOH

- Hiểu lý do phải đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng

II GIỚI THIỆU

Phản ứng giữa ester acetate ethyl và NaOH xảy ra như sau:

CH3COOC2H5 + NaOH  CH3COONa + C2H5OH

Với: a, b là nồng độ đầu của ester và NaOH

(a – x), (b – x) là nồng độ của ester và NaOH ở thời điểm t

Đây là phản ứng bậc 2, biểu thức hằng số tốc độ phản ứng có dạng:

kt= 1

�−� ln�(�−�)�(�−�) (*)

Gọi no, nt, �∞là thể tích NaOH trong dung dịch phản ứng tại thời điểm t

= 0, t và t = ∞ (phản ứng hoàn toàn ở �∞ )

Nồng độ NaOH ở các thời điểm sẽ tỉ lệ với thể tích đó Còn nồng độ ester ở thời điểm đầu (t=0) và thời điểm t sẽ tỷ lệ tương ứng với (n0- �∞) và (nt- �∞)

Do đó: C0= b = A.n0

C0ester = a = A.(n0-�∞)

Ct= b – x = A.nt

Ct ester= a – x = A [(n0- �∞) – (n0– nt)] = A(nt- �∞)

Với: A – hằng số tỉ lệ

Thay các giá trị trên vào phương trình (*), ta có:

kt=� � 1

� −�∞ −�.�� ln�.�� �(��−�∞)

�.��.�(��−�∞)

kt= −��1

∞ ln�� ��−�∞

��(��−�∞)

kt= 1

�� ∞ ln�� (� � −�∞)

� � (� � −� ∞ ) (**)

Tìm hằng số A trong biểu thức (**):

Dung dịch NaOH có nồng độ đương lượng 1/100 (N), Vậy số đương lượng NaOH có trong n0(mL) dung dịch NaOH 1/100 (N) hay trong 25 mL dung dịch hỗn hợp phản ứng là:

1

100 ×

no

1000 × số đương lượng Nồng độ đương lượng NaOH trong 25 mL hỗn hợp phản ứng (mẫu thử) sẽ là:

C0 NaOH=1001 × no

1000 × 100025 = no

2500

Mà C0 NaOH= A.n0 Suy ra: A = 1

2500

 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ của phản ứng

Phương trình Arrhénius mô tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ:

k = k0�−���

Với: k0– thừa số tần số hay thừa số Arrhénius, không phụ thuộc vào nhiệt độ

E – năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Lấy logarit hai vế: lnk = lnk0–���

Như vậy, đường biểu diễn lnk = f(1/T) là đường thẳng có độ dốc -E/R

Gọi k1, k2là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T1, T2, khi đó:

ln�2

�1 = −�� �1

2− �1

1 (***) Dựa vào (***) ta có thể tìm được năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi biết hằng số tốc độ của phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau

 Ý nghĩa năng lượng hoạt hóa

Theo Arrhénius, chỉ có những phân tử nào có năng lượng dư tối thiểu so với năng lượng trung bình của phân tử thì mới có khả năng phản ứng hiệu quả Năng lượng đó gọi là năng lượng hoạt hóa

Nói cách khác, năng lượng hoạt hóa là phần năng lượng dư của mỗi phân

tử cần có để lúc phản ứng dần đến biến hóa hóa học

III THỰC NGHIỆM

a Hóa chất và dụng cụ:

Bảng 1 Hóa chất và dụng cụ

Erlen nút nhám 500 mL

Erlen 250mL

Becher 100mL

Nhiệt kế 100oC

Eprouvette 250mL

Pipette 25mL

Burette 25mL

Ống ngưng hơi bầu

Quả bóp cao su

Bình xịt nước cất

Bể điều nhiệt

03 06 02 01 02 02 02 01 01 01 02

CH3COOH 1/200 (M) NaOH 1/100 (M) HCl 1/100 (M) Phenolphtalein 1% (w/v) trong ethanol 95%

b Qui trình thí nghiệm:

Nhiệt độ phòng T 1

Dùng ống đong cho vào 2 erlen

500mL Đậy nút kín

150mL dd

NaOH 1/100

M

150mL ester 1/200 M

Sau 5, 10, 20, 30, 40, 50 phút dùng pipette hút 25mL hỗn hợp vào erlen

Cho vào 6 erlen khác nhau 12.5 mL dd HCl

1/100 M

Đổ nhanh dd NaOH vào ester,

đậy nắp lắc mạnh.

Đọc nhiệt độ T 1 - Nhúng nhiệt kế sạch

vào dung dịch

Chuẩn độ bằng dd NaOH 1/100 M hỗn

hợp 6 erlen trên + 2 giọt phenolphtalein

- Ghi thời điểm t = 0

- Tránh chuẩn độ thừa, ở điểm tương đương đạt màu hồng nhạt bền trong khoảng 30s.

Sau phút 50, đun hoàn lưu cách thủy

hỗn hợp còn lại ở 70 o C (30 phút), để

nguội, chuẩn độ như trên

- 70 o C phản ứng xảy ra nhanh  phản ứng hoàn tất (chuẩn độ NaOH t = ∞

 Nhiệt độ bể điều nhiệt T 2

Lượng dd như trên, ngâm 2 bình đựng NaOH và ester trong bể điều nhiệt ở nhiệt độ khoảng 38 – 45oC (ghi nhiệt độ chính xác T2) ít nhất 20 phút

Tiến hành thí nghiệm như trên

IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

a Kết quả thô:

Bảng 3 Thể tích NaOH dùng để chuẩn độ HCl thừa

Nhiệt

độ

Thời điểm (phút)

b Kết quả sau xử lí:

Bảng 2 Xử lý số liệu kết quả

Nhiệt độ Thời điểm V NaOH chuẩn

độ dư HCl (mL)

V NaOH có trong 25mL mẫu thử

K (s.mol/l) -1

T 1 = 32 o C

T 2 = 45 o C

 Tính k trung bình ở mỗi nhiệt độ:

k tb1 = (0,4536 + 0,2970 + 0,2101 + 0,1886 + 0,1555 + 0,1420)/6 = 0,2411

k tb2 = (0,3965 + 0,2587 + 0,1748 + 0,1739 + 0,1659 + 0,1630)/6 = 0,2221

 Tính kT1 và kT2 bằng phương pháp bình phương cực tiểu:

kt = 1

�� ∞���� (� 0 −� ∞ )

� 0 (� � −� ∞ ) (**)

��∞�� = ln( ��

��−�∞) + ln(�0 −�∞

�0 )

ln( ��

��−�∞) = ��∞�� + ln( �0

�0−�∞)

y = ax + b

Tại T= 305 K :

y=ln( ��

Hình 1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc k theo thời gian (s) tại 305K

��∞� = 0,000365453

=> k = 0,000365453/( ��∞) = 0,000365453*2500/7,10 = 0,1287

Tại T= 318 K :

y=ln( ��

Hình 2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc k theo thời gian (s) tại 318K

��∞� = 0,000359519

=> k = 0,000359519/( ��∞) = 0,000359519*2500/6,00 = 0,1498

 Tính năng lượng hoạt hóa E của phản ứng

Gọi k1, k2là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T1, T2, khi đó:

�����

� = −�� ��

� − ��

�

�1 = 305 K

�2 = 318 K

Năng lượng hoạt hóa theo hằng số tốc độ phản ứng bằng phương pháp trung bình là :

ln0,2221 0,2411 = −

� 8,314

1

318 −

1 305

=> E = -5091,58 (J) Năng lượng hoạt hóa theo hằng số tốc độ phản ứng bằng phương pháp bình phương cực tiểu là :

ln0,14980,1287 = −8,314 � 1

318 −

1 305

=> E = 1,69.10 -4 (J)

c Nhận xét kết quả:

- Dùng phương pháp đồ thị kết quả K và E được chính xác dựa vào R2

- Kết quả k ở phương pháp đồ thị cho R2 > 0.9 => Phản ứng este hóa dung dịch kiềm là phản ứng bậc 2

- Khi tăng nhiệt độ, k tăng nên vận tốc phản ứng tăng

- K phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng

IV TRẢ LỜI CÂU HỎI

1 Giải thích cơ chế chuẩn độ ngược dùng trong thí nghiệm trên

Lấy chính xác hoặc dư dung dịch chuẩn HCl, vào dung dịch chất định phân (dung dịch hỗn hợp gồm NaOH + ester) Sau đó chuẩn độ lượng dung dịch HCl

dư bằng thuốc thử là NaOH Dựa vào thể tích và nồng độ các dung dịch HCl và NaOH tìm được hàm lượng ester hay nồng độ của NaOH: Vester Nester = VHCl

NHCl – VNaOH NNaOH

2 Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa của phản ứng phụ thuộc vào yếu tố nào về mặt lý thuyết

Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa phụ thuộc vào nhiệt độ

3 So sánh giá trị hằng số tốc độ phản ứng k tại các nhiệt độ khác nhau và giải thích nguyên nhân khác biệt

Hằng số tốc độ phản ứng k tại các nhiệt độ khác nhau là khác nhau Vì hằng

số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì hằng số tốc độ phản ứng càng lớn và ngược lại

4 Nêu các sai số có thể ảnh hưởng đến kết quả đo trong bài thí nghiệm trên

- Do sai số trong quá trình tiến hành thực hiện thí nghiệm như: cân, đo đạc, pha chế hóa chất, các thao tác thực hiện thí nghiệm và sai sót trong quá trình chuẩn độ, dẫn đến sai số ảnh hưởng kết quả đo

- Do hóa chất không được tinh khiết, thuốc thử NaOH không được chuẩn xác vì không chuẩn lại với dung dịch gốc

- Sai số do dụng cụ đo

- Do các yếu tố tự nhiên của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất