Ćwiczenie nr 14 : Kinetyka hydrolizy estrów w środowisku kwaśnym

I Wstęp teoretyczny :

Szybkość reakcji definiowana jest jako ubytek stężenia substratu lub przyrost stężenia produktu w jednostce czasu , jest wielkością ściśle zależną od temperatury , na ogół zależy również od stężenia reagentów . Ponieważ zmieniają się one z postępem reakcji jest ona funkcją czasu
[ mol/s ]
- współczynnik stechiometryczny reagentów

Katalizator to substancja przyspieszająca reakcję chemiczną, nie ulegająca przy tym wypadkowej zmianie . gdy katalizator znajduje się w jednej fazie z mieszaniną reakcyjną, nazywamy go katalizatorem homogenicznym. Katalizator heterogeniczny znajduje się w odrębnej fazie. Katalizator zmniejsza energię aktywacji na drodze reakcji od substratów do produktów. Energie aktywacji substratów i produktów nie zmieniają się, zmniejsza się natomiast energia stanu przejściowego. Obecność katalizatora nie wpływa na stan równowagi, lecz jedynie przyspiesza jej osiągnięcie.

W reakcjach katalizowanych przez kwasy i zasady uczestniczą protony . Reakcje , które polegają na przyjmowaniu lub oddawaniu protonów przebiegają szybko . Spowodowane jest to dwoma przyczynami : jon wodoru jest bardzo mały , brak jest utrudniających reakcję czynników sferycznych i jon wodorowy pozbawiony jest elektronów .

Kataliza kwasowo-zasadowa wymaga jednoczesnej obecności zarówno kwasu jak i zasady.

W katalizie kwasowej kluczowym momentem jest etap polegający na przenoszeniu protonu do substratu :

X + HA = HX⁺ + A^-

Kataliza zasadowa polega na przeniesieniu protonu z substratu do zasady :

XH + B = X^-+BH⁺

Mocne kwasy nieorganiczne wpływają na przyspieszenie procesu hydrolizy przez protonowanie grupy karbonylowej , dzięki czemu powodują zwiększenie podatności atomu węgla tej grupy na atak nukleofilowy w reakcji, hydrolizy czynnikiem hydrofilowym jest cząsteczka wody a grupą opuszczającą cząsteczka alkoholu .

II Literatura :

„Chemia fizyczna” praca zbiorowa , PWN W-wa 1980

Morrison R.T, Boyd R.N „Chemia organiczna” PWN W-wa 1985

„Chemia fizyczna dla przyrodników” Sobczyk J.,Kisza A.,PWN W-wa 1981

III Wykaz substancji :

- octan etylu 0028

- octan metylu 1231

- mleczan metylu 687-47-8

V

Celem ćwiczenia było wyznaczenie kinetyki hydrolizy estrów w środowisku kwaśnym, dokonując analizy składu badanego układu w trakcie przebiegu reakcji, w czasie rzeczywistym pobierając niewielkie próbki

VI

Sposób wykonania ćwiczenia ;

1) Termostat nastawić na temperaturę podaną przez prowadzącego ćwiczenie.

2 ) Przygotować roztwory kwasów, które będą katalizować reakcję hydrolizy estru; w tym celu wlać do jednej erlenmeyerki 40 ml kwasu siarkowego o stężeniu około 0.25M do drugiej zaś 40 ml kwasu solnego o stężeniu około 0.5M. Obie erlenmeyerki wstawić do termostatu. Po upływie ok. 20 min. do każdej z nich wlać po 2 ml estru i energicznie wstrząsnąć zanotować czas zegarowy( z dokładnością do jednej minuty )rozpoczęcia reakcji hydrolizy

3) Wyznaczyć dokładne stężenie obu kwasów. W tym celu, w oddzielonych dwóch kolbach stożkowych przygotować roztwór o składzie: 20 ml kwasu używanego oraz jeden ml wody destylowanej po sporządzeniu tych roztworów pobrać z nich po trzy próbki po 2 ml i oznaczyć stężenie początkowe kwasów
, miareczkując mianowanym roztworem NaOH

wobec fenoloftaleiny.

-Pomiar:

4) Do dwóch oddzielnych naczyń (w których będzie oznaczane stężenie kwasu po hydrolizie) odmierzyć takie ilości zasady które są równoważne 2 ml roztworu kwasów. Po około 15 min.

od rozpoczęcia reakcji hydroliz, pobrać z termostatowanych erlenmeyerek próbkę roztworu którą należy zmiareczkować oznaczając w ten sposób ilość powstałego kwasu w wyniku hydrolizy. Po upływie kolejnych 10 min. pobrać następne 2ml badanego roztworu. Wykonać co najmniej 10 pomiarów miareczkowań dla każdego kwasu, każdorazowo umieszczając go w erlenmeyerce zawierającej pewną ilość zasady równoważną stężeniom początkowym kwasów.

Ostatnie miareczkowanie wykonać po upływie około 24 h notując czas zegarowy.

VII

Obliczenia:

Zakładając, że reakcja hydrolizy estrów jest reakcją pierwszego rzędu, zależność na stałą szybkości można przedstawić w następujący sposób;

/1/ gdzie: t- czas reakcji hydrolizy[min];

-stężenie kwasu po czasie t [mol/l]

-stężenie początkowe kwasu (t=0);
=0

-stężenie kwasu po 24 godzinach.

Poniżej zestawiam wartości eksperymentalnych wartości w tabelach i tak tabela 14.1 odpowiada kwasowi siarkowemu a tabela 14.2 odpowiada kwasowi solnemu.

Tabela14.1

=0,6770[mol/l]

Tabela:14.2

=0,3447[mol/l]

Na podstawie dokonanych pomiarów oraz obliczeń sporządzam wykresy zależności:

a)

b)
na podstawie tego wykresu wyznaczam i równania /1/wyznaczam stałe hydrolizy estru w obecności badanych kwasów.

Mamy zatem równania prostych wyznaczone metodą najmniejszych kwadratów:

y=0,0063x dla hydrolizy przeprowadzanej przy użyciu kwasu siarkowego;

y=0,0085x dla hydrolizy przeprowadzanej przy użyciu kwasu solnego. Zatem wychodząc z założenia, że reakcja jest pierwszego rzędu stała szybkości reakcji równa się współczynnikom kierunkowym prostych.

k=0,0063 i k=0,0085