Гидролиза этилацетата в кислой среде

Цель работы: экспериментальное определение константы скорости реакции гидролиза этилацетата в кислой среде.

Реактивы: этилацетат, раствор HCl концентрацией
0, 1 моль/дм³ и 0, 5 моль/дм³, раствор NaOH концентрацией
0, 1 моль/дм³, индикатор фенолфталеин.

Теоретические сведения

В разбавленных растворах гидролиз эфира

СН₃СООС₂Н₅ + Н₂О ® СН₃СООН + С₂Н₅ОН

протекает крайне медленно. Концентрация воды в этом случае постоянна, поэтому скорость этого процесса будет зависеть только от концентрации эфира.

Ионы Н⁺ и ОН^– катализируют процесс. Поскольку в результате реакции образуется кислота, то в присутствии ионов Н ⁺ гидролиз является автокаталитическим процессом, что усложняет течение реакции. Однако, если концентрация Н⁺ велика, то увеличение концентрации кислоты будет относительно небольшим. Поэтому реакцию проводят при высокой концентрации сильной кислоты.

Реакцию гидролиза уксусноэтилового эфира в кислой среде можно представить следующим образом:

СН₃ –С–О–С₂Н₅ + Н⁺ ® СН₃ –С–О–С₂Н₅ ® СН₃ –С–О⁺–С₂Н₅

		Н
		О

СН₃ –С⁺ + С₂Н₅ОН СН₃ –С–ОН + С₂Н₅⁺

На первом этапе образуется карбкатион, существующий в двух таутомерных формах. Распад карбкатиона может протекать как по мономолекулярному, так и по бимолекулярному механизму. В первом случае скорость процесса определяется концентрацией вещества, имеющегося в недостатке. Поэтому можно считать, что гидролиз эфира в кислой среде является мономолекулярной реакцией и может быть описан кинетическими уравнениями первого порядка (5.4) и (5.5).

Количество вступившего в реакцию эфира пропорционально количеству образовавшейся кислоты, которое, в свою очередь, пропорционально расходу щелочи на титрование пробы реакционной смеси.

С учетом сказанного уравнение (5.4) будет иметь вид

–d (V_¥ – V_t) /dt = k (V_¥ – V_t) ⁿ

или dV_t /dt = k (V_¥ – V_t) ⁿ, (5.20)

где V _¥ – расход щелочи на титрование пробы при полном гидролизе эфира; V_t – расход щелочи на титрование пробы в момент времени t.

В логарифмической форме уравнение (5.20) примет вид линейной зависимости

ln(dV_t /dt) = ln k + n ln(V _¥ – V_t).

Для расчета k в момент времени t уравнение (5.5) примет вид:

(5.21)

Порядок выполнения работы

1. В колбу вместимостью 100 см³ налить 50 см³ раствора HCl концентрацией 0, 1 моль/дм³, присоединить ее к обратному холодильнику и поставить в термостат, температура которого задается преподавателем. Если опыт проводится при комнатной температуре (20±5) °С, колбу закрыть пробкой и оставить на лабораторном столе.

2. В другую колбу налить 50 см³ раствора HCl концентрацией 0, 5 моль/дм³ и 2 см³ этилацетата. Колбу с реакционной смесью присоединить к обратному холодильнику и поместить в термостат на 1, 5-2 ч при температуре 60-70 °С.

3. Через 10-15 мин в первую колбу добавить 2 см³ этилацетата, отметить время начала реакции, быстро перемешать содержимое колбы и отобрать 2 см³ реакционной смеси для анализа. Колбу с реакционной смесью возвратить в термостат. Пробу влить в колбу для титрования с 10-15 см³ холодной дистиллированной воды, и титровать раствором NaOH концентрацией
0, 1 моль/дм³ в присутствии фенолфталеина до появления розовой окраски, не исчезающей в течение 10-15 с. Объем щелочи, пошедшей на титрование самой первой пробы – V ₀.

Количество и интервал отбора последующих проб задаются преподавателем. Последней титровать пробу реакционной смеси, выдержанной при заданной температуре в течение 1, 5-2 ч. Объем щелочи, пошедшей на титрование этой пробы – V _¥ .

Полученные результаты внести в табл. 5.3.

Т а б л и ц а 5.3

Обработка опытных данных

1. Рассчитать по уравнению (5.21) константу скорости для каждой экспериментальной точки. Найти среднее значение константы скорости, записать ее размерность.

2. Вычислить энергию активации по уравнению (5.13), используя константы скорости при двух температурах.

Полученные результаты внести в табл. 5.3

Контрольные вопросы и задания

1. Что включает в себя кинетическое исследование, называемое формальной кинетикой?

2. Что изучает кинетика? Дать определение средней и истинной скорости химической реакции.

3. Получить выражение скорости химической реакции через концентрации реагирующих веществ. При каком условии оно справедливо? Указать единицу измерения скорости реакции для различных единиц измерения концентрации и времени.

4. Дать определение понятий " порядок реакции по веществу" и " порядок реакции в целом".

5. Объяснить термин " молекулярность" реакции.

6. Каков физический смысл константы скорости реакции? Какова ее размерность?

7. Кинетика необратимых реакций первого и второго порядков.

8. Привести примеры, характеризующие основные типы конкретных механизмов катализа.

9. Объяснить роль катализатора в увеличении скорости химической реакции.

Лабораторная работа № 21