乙酸乙酯皂化反应动力学分析

实验十 乙酸乙酯皂化反应动力学研究
【摘要】本实验通过乙酸乙酯的皂化反应来研究化学反应动力学的规律。

实验通过电导法测 定乙酸乙酯的皂化反应体系中的电导率来代替对浓度的直接测量，由此计算反应的速率常数及其活化能，同时了解具有简单级数的化学反应的动力学特征和SevenMulti 型电导率综合测试仪的使用。

【关键词】皂化反应 电导率 反应速率常数 活化能
一、前言
化学动力学是研究化学反映过程的速率和反应机理的物理化学分支学科，它的研究对象是物质性质随时间变化的非平衡的动态体系。

本实验通过乙酸乙酯的皂化反应来初探化学反应动力学的一些相关性质和规律。

乙酸乙酯皂化反应是一个在化学和工业应用上均有着重大意义的有机反应，而反应速率常数是化学反应一个重要的动力学参数。

本实验采用物理方法，通过测定不同时刻溶液的电导率来得到反应各物质的浓度，进而确定反应速率常数，并进一步计算出该反应的活化能。

二、实验部分 （一）实验原理
乙酸乙酯皂化反应为： CH 3COOC 2H 5＋Na ＋
＋OH －
══ CH 3COO －
＋Na ＋
＋C 2H 5OH
在反应中，各物质的浓度随时间改变。

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：
d x
d t
ka x b x =--()() ，积分可得：kt a b b a x a b x =
---1ln ()() 若初始浓度a =b ，9－(1)式变为dx dt
k a x =-()2
，积分得：kt x a a x =
-() 不同时刻各物质的浓度可用化学分析法测出，在本实验中我们采用电导法来测定。

电解
质溶液的导电是正、负离子向阳极、阴极迁移的结果，,它与溶液中的离子浓度有关。

在有多种离子存在的溶液中，L g 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。

反应前后溶液中离子数目和离子所带电荷不变，但由于
CH 3COO －的迁移率比OH －的迁移率小，随着反应的进行，OH －不断减少，CH 3COO －
的浓度
不断增加，体系电导率值会不断下降，可以认为体系的电导率的减少量和CH 3COO －
的浓度x 增加量成正比，在t =t 时， x K L L t =-()0 ，L 0为起始时的电导率，L t 为t 时的电导率。

当t =t ∞时反应终了CH 3COO －
的浓度为a ，即：a K L L =-∞()0，式中L ∞即反应终了时的电导率，K 为比例常数，得：
[
]
k
t K LL a K LL LL LL a LL t
t
t t =----=--∞∞()()()()
()0000
或
∞-=-akL akL t
L L t t
0 只要测定了L 0、L ∞以及一组L t 值后，利用
L L L L t
t 0--∞
对t 作图，应得一直线，直线的斜率就
是反应速度和初始浓度a 的乘积。

反应的活化能可根据阿累尼乌斯公式求算：
d k
d T E R T a ln =2 积分得： l n
k k E R T T T T a 212112=-⋅⎛⎝ ⎫⎭
⎪ 式中k 1、k 2分别对应于温度T 1、T 2的反应速率常数，R 为气体常数，E a 为反应的活化
能。

因而求得不同温度下的反应速率常数，再结合对应温度便可得到反应的活化能。

（二）仪器与药品
SevenMulti 型电导率综合测试仪 梅特勒-托利多公司
恒温槽 南京大学应用物理研究所研制 电导池 100mL 恒温夹套反应器 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 吸耳球 1只 CH 3COOC 2H 5试剂（分析纯） NaOH （分析纯） 酚酞指示剂溶液
（三）实验步骤
1、打开恒温槽使其恒温在33℃±0.2℃。

（在实验中，本组五名实验的同学各测两个温度下的电导率变化，其中33℃和35℃下的测量由该报告完成人承担。

）
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，电磁搅拌条件下，逐滴加入浓浓NaOH 溶液到L=1300～1400μS/cm 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、L 0（或PH 0）的测定（33℃）
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、L t （或PH t ）的测定：
完成L
0（或PH
）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。

电导率仪会自动采集数据，四十分钟后数据采集完成进行下一步。

7、按步骤5、6和7在35℃进行测量。

（四）注意事项
1、NaOH溶液和乙酸乙酯混合前应预先恒温。

2、清洗铂电极时不可用滤纸擦拭电极上的铂黑。

三、实验结果与分析
（一）实验结果（原始数据及数据处理附后）
温度（℃）
k(L/mol•min)
25.0 7.0631
23.8 5.9214
32.2 12.8986
44.9 24.1292
36.0 13.7911
活化能E a=50.59kJ/mol
（二）结果分析
由图可知电导率与时间有很好的线性关系，即乙酸乙酯浓度与时间有很好的线性关系，说明本反应为二级反应。

（三）误差分析
1、实验设计中的误差：
在使用L L
L L
a kt
t
t
-
-
=
∞
这个公式时，我们假定CH3COONa完全电离，但是实际实验过程中，
CH3COONa不可能完全电离。

实验过程中乙酸乙酯要完全反应才能用初始乙酸乙酯的量去计算反应后的CH3COO－的浓度，然而在实验时，乙酸乙酯量的确定是由NaOH溶液浓度的滴定结果按一比一反应得到的，而且由于精度的影响，乙酸乙酯的量取是很不精确的，这不仅会影响到反应能否进行完全、影响a值的确定，由实验数据拟合出的直线斜率是a与速率常数k的乘积知，对k的值也会有很大影响。

2、实验操作中遇到的问题及对结果的影响：
①滴定时造成的误差：
首先考虑读数的问题。

实验中NaOH溶液滴定的平行实验是由两个人完成的，由于个人读数习惯的不同会造成结果有些许偏差。

由于是用酚酞的颜色变化来确定滴定终点的，因而终点颜色的判断也成为误差的来源之一。

放置的NaOH溶液会吸收空气中的CO2变成
Na2CO3，这使得滴定终点不易判断，因为需要半分钟不退色；滴定时长时间观察也会使眼睛对变色不敏感，且滴定测得的浓度不完全等于NaOH溶液的浓度。

②乙酸乙酯加入时造成的误差：
为保证反应物的量的一致性，即满足a=b，尽量不要让乙酸乙酯挂在壁上，量取时可以稍稍多一点以避免移取过程中的损失对结果造成影响。

另外，在做35℃温度下的实验时，由于加乙酸乙酯的导管口恰好被挡着，不得已既要考虑磁子的位置又要改变反应容器的位置，结果由于未注意好电导率仪的电极位置，造成温度的急剧下降，在几分钟内都没有升到所需温度，因而反应刚开始几分钟内的数据不可用而被舍去。

另外，在后来调整反应容器时不是很容易调到合适位置的原因就是磁子不能很好的转动，在不断的调整位置和转速后才调好，所以在以后的实验中一定要先调整好仪器的位置和取向，避免此种现象的反生。

③恒温不能完全达到造成的误差：
由数据可以看出反应过程中溶液的温度有小幅度的变化，这是由于恒温水槽升温较慢，
的值，另外还且溶液温度与实际设定温度有一定的差距。

在实验前一定要记得测量几个L
要注意温度是否稳定了一段时间，在温度较高时，要达到所需温度且保持恒定不太容易，因而在温度很长一段时间不再变化或很缓慢地只改变0.1℃时便可加入乙酸乙酯。

3、数据记录及处理中的误差：
本实验使用的仪器有自动每隔五秒采集一次数据的功能，在整个实验过程中共采集40分钟，其中前半部分是未加入乙酸乙酯时的数据，中间某一时刻加入乙酸乙酯，但这样不能保证反应恰开始时刻的数据被采集到，而数据处理中所用的到时间项t是以乙酸乙酯加入时刻为基准的，因而由此带来的误差是不可由舍掉一部分数据就避免的。

另外，在作图时，采用了两种方法处理，一种是每隔一或两分钟取一个数据为点作图，另一种是把所有的点都绘出，选中间较为线性的一段通过拟合结果求得k值。

通过比较发现。

后者的结果较为可靠，因而数据处理中便仅给出此种方法处理的结果。

【参考文献】
[1] 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验[M].中国科技大学出版社,2000。

[2] 傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.《物理化学》（第五版）上册[M].南京大学化学化工学院，高等教育出版社,2005.
Research of Ethyl Acetate’s Saponification Reaction for Dynamics 【Abstract】In this experiment, we calculate the Rate constant of the saponification reaction by using method of measuring Electrolytic conductance instead of measuring the concentration directly, and then calculate the activation energy of the reaction. According to the research, we
find some regulates for dynamics and learn the use of SevenMulti—conductivity meter.
【Key Words】saponification reaction conductivity rate constant activation energy
【附录】
实验所得的数据记录与处理
一，数据记录
1、NaOH溶液的滴定
滴定实验编号 1 2 3
邻苯二甲酸氢钾质量 g 0.0300 0.0227g 0.0153g NaOH 溶液用量mL 29.81 22.49 15.21 NaOH 溶液浓度mol·dm －3 0.00490
0.00495 0.00493
NaOH 溶液浓度均值mol·dm －3
0.00493 乙酸乙酯溶液用量mL 0.05
2、25℃数据（数据表格另附）
以t L 为横坐标，以
t L L t
-0为纵坐标作出如下拟合直线：
由拟合结果可知斜率ak=0.0363，又a=0.00493mol·dm －3，因此k=7.0631dm 3·mol -1·min -1 3、同理可得其他温度下的数据： ①23.8℃：
斜率ak=0.02673，又a=0.00493mol·dm－3，因此k=5.9214dm3·mol-1·min-1②32.2℃：
斜率ak=0.06359，又a=0.00493mol·dm－3，因此k=12.8986dm3·mol-1·min-1
③36℃：
斜率ak=0.06799，又a=0.00493mol·dm－3，因此k=13.7911dm3·mol-1·min-1 ④44.9℃：
斜率ak=0.14443，又a=0.00493mol·dm－3，因此k=24.1292dm3·mol-1·min-1 3、反应速率常数及活化能的计算
由阿累尼乌斯公式：l n k k E R T T T T a 212112=-⋅⎛⎝ ⎫⎭
⎪得：)1
1(ln ln 11T T R E k k a -+
=
温度（℃）
T
1
（1/k ） k lnk 25 0.003356
7.0631 1.954884 23.8 0.003369 5.9214 1.778573 32.2 0.003277 12.8986
2.557119 44.9 0.003146 24.1292
3.183423 36
0.003236
13.7911
2.624023
以1/T 为横坐标，lnk 为纵坐标作出拟合直线如下：
其斜率-R E a
=-6084.90824，活化能Ea=50.59kJ/mol。