乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

陳書鴻 張麗瑩 樂 艷 侯 健 文 強(qiáng) 李廷真

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乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

陳書鴻 張麗瑩 樂 艷 侯 健 文 強(qiáng) 李廷真

（重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，重慶 404100）

改進(jìn)了電導(dǎo)法測(cè)定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器和反應(yīng)物混合方式．采用了一種改進(jìn)的雙層恒溫?zé)鳛榉磻?yīng)器，可以準(zhǔn)確地控制反應(yīng)溫度．用單通道移液器量取分析純乙酸乙酯加入反應(yīng)器，使用磁力攪拌器快速混合反應(yīng)物．改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍奖愕販y(cè)量κ和κ，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以得到較為準(zhǔn)確的速率常數(shù)和較好的數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)．

皂化反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；反應(yīng)器;混合方式

1 前 言

用電導(dǎo)法測(cè)定乙酸乙酯皂化反應(yīng)速率常數(shù)是物理化學(xué)動(dòng)力學(xué)部分的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[1–6]．目前，大多數(shù)高校都是在乙酸乙酯和氫氧化鈉初始濃度相等的條件下進(jìn)行皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[1–4]．但是乙酸乙酯易揮發(fā)，其水溶液會(huì)水解；氫氧化鈉又必須是新配制的，要滿足這一條件很難做到．同時(shí)，實(shí)驗(yàn)要求溫度恒定，并且要求反應(yīng)物混合時(shí)間短[4]，這種情況較難找到一種適合的反應(yīng)器．許多學(xué)者對(duì)皂化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法[5–12]、實(shí)驗(yàn)裝置[13–17]及數(shù)據(jù)處理方法[18–21]提出了改進(jìn)措施，但還是存在著一些不足，比如恒溫沒有得到有效解決，乙酸乙酯可能會(huì)水解以及充分與氫氧化鈉溶液混合的問題，這可能會(huì)造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析線性差，不易得到準(zhǔn)確結(jié)果．

本文作者在多年的教學(xué)過程中，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的問題采取了一些改進(jìn)措施，主要有兩方面：（1）改進(jìn)了反應(yīng)器；（2）改進(jìn)了反應(yīng)物的混合方式．改進(jìn)之后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果良好．

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器：皂化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置（ZHFY-I，南京桑力電子設(shè)備廠；含鉑黑電導(dǎo)電極），電子天平（規(guī)格1200g/0.1g，上海菁華科技儀器有限公司），電子天平（規(guī)格110g/0.1mg，梅特勒-托利多儀器有限公司），純水機(jī)（UPT-I-20T，成都優(yōu)普科學(xué)儀器有限公司），單通道移液器（規(guī)格10-100 μL，大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），磁力攪拌器（78HW-1，江蘇正基儀器有限公司），計(jì)時(shí)器，恒溫反應(yīng)器（自制），堿式滴定管（50.00 mL）．

試劑：氫氧化鈉（分析純），乙酸乙酯（分析純），鄰苯二甲酸氫鉀（分析純），純水，酚酞指示劑．

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

詳細(xì)實(shí)驗(yàn)原理可參見教材[1–7]，本實(shí)驗(yàn)采用下列速率方程計(jì)算速率常數(shù)：

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定起始溶液的電導(dǎo)率κ0和不同時(shí)間t溶液的電導(dǎo)率κt，以κt對(duì)（κ0-κt）/t作圖，得一直線，從直線的斜率可求出反應(yīng)速率數(shù)k值．使用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到直線斜率和相關(guān)系數(shù)R．

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)操作步驟與教材基本相同，下面列出改進(jìn)后的操作．

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：反應(yīng)器內(nèi)部采用高型燒杯形狀，外部是恒溫夾套；為了使反應(yīng)器內(nèi)的溶液有足夠的高度和杯口有足夠的寬度，方便磁子攪拌并放置電導(dǎo)電極與溫度計(jì)，反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)為梯形．杯口用硅膠（或橡膠）塞密封，開3個(gè)圓孔，分別為電極插口、溫度計(jì)插口和加樣口．

2.3.2 溶液配制

用精度0.1 g天平稱量氫氧化鈉固體，用新鮮純水配制成一定體積的溶液，濃度約為0.01 mol/L．用精度0.1 mg天平準(zhǔn)確稱量鄰苯二甲酸氫鉀，對(duì)氫氧化鈉溶液進(jìn)行濃度標(biāo)定．得到準(zhǔn)確的濃度C0后，用式（2）計(jì)算等摩爾量的分析純乙酸乙酯體積V(μL)：

式中，C0、V0分別為NaOH溶液的濃度和體積；

M

1

、

ρ

1

、

w

1

分別為分析純乙酸乙酯的分子量、密度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

2.3.3 κ0及κt的測(cè)定

（1）用乳膠管連接恒溫水浴，開啟恒溫水浴，設(shè)定溫度．

（2）用大肚移液管準(zhǔn)確量取50.00 mL氫氧化鈉溶液置于反應(yīng)器中，磁力攪拌器緩慢攪拌，溫度恒定后，測(cè)定電導(dǎo)率κ0．

（3）計(jì)算出所需乙酸乙酯的用量，用量程為10~100 μL的移液器量?。?/p>

（4）將磁力攪拌器速度開到最大，取下橡膠塞加入乙酸乙酯，同時(shí)計(jì)時(shí)，然后塞上橡膠塞．

（5）持續(xù)快速攪拌約1 min后，將攪拌速度減慢，保持慢速均勻攪拌．然后依次記錄2，4，6，8，10，12，15，20，15，20，25，30，35，40 min時(shí)刻的電導(dǎo)率κt．

（6）清洗實(shí)驗(yàn)用品，用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 改進(jìn)措施

通常實(shí)驗(yàn)教材的方案需要配制0.02 mol/L、0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液和0.02 mol/L的乙酸乙酯溶液，但是乙酸乙酯微溶于水且其水溶液會(huì)水解，水解產(chǎn)物為乙酸（CH3COOH）和乙醇（C2H5OH）．雖然消耗氫氧化鈉的量沒變，但是乙酸與氫氧化鈉的反應(yīng)速率極快，會(huì)造成電導(dǎo)率急劇減小，引起較大的誤差．泮富友提出用移液管量取0.20 mL乙酸乙酯加入裝有氫氧化鈉溶液的三角瓶中，手搖混合[8]．有教材[6]使用微量注射器量取乙酸乙酯注入裝有氫氧化鈉溶液的錐形瓶中，手搖混合．有教材[7]采取玻璃泡封裝乙酸乙酯置入氫氧化鈉溶液中后，壓破玻璃泡搖動(dòng)反應(yīng)器混合反應(yīng)物．這種加樣方式能夠避免乙酸乙酯水解，但是量取工具不夠精確或者操作麻煩，并且所采用的反應(yīng)器不方便恒溫．

基于以上原因，本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上改進(jìn)了反應(yīng)器，如圖1所示，可以方便地控制和測(cè)量反應(yīng)溫度．使用微量移液器量取分析純乙酸乙酯加入到0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液，體積一般在0.05~0.10 mL．微量移液器具有準(zhǔn)確性高和重復(fù)性好特點(diǎn)，近年來廣泛用于生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，常用來精確量取小容量液體．為了更快地使反應(yīng)物混合均勻，本實(shí)驗(yàn)使用了磁力攪拌器，在加乙酸乙酯前將攪拌速度調(diào)到很大，加入乙酸乙酯后繼續(xù)快速攪拌1.5 min．改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)操作的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）不再配制乙酸乙酯水溶液，可以避免乙酸乙酯水解對(duì)實(shí)驗(yàn)造成不利的影響；（2）只需配制0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液，可以忽略加入乙酸乙酯后的體積變化，因此不必更換溶液而方便測(cè)得κ0．（3）采用磁力攪拌器混合反應(yīng)物，比其他混合方式更方便．

3.2 學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

學(xué)生實(shí)驗(yàn)均獲得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，大部分同學(xué)擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R≥0.999，速率常數(shù)也接近于文獻(xiàn)值．?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精確度均高于前幾年的學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，摘錄部分列于下文．

表1是A組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，用Origin軟件對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算擬合，結(jié)果如圖2所示．

表1 A組實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)（溫度為25.0 ℃, CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 079 μS/cm）

圖2 A組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果圖

從圖2可以得知，A組同學(xué)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：相關(guān)系數(shù)R = 0.99997，斜率為16.19495 = 1/(C0·k)，計(jì)算速率常數(shù)k = 6.6610 L·mol-1·min-1，與文獻(xiàn)值6.4254 L·mol-1·min-1較為接近[5]．

表2是B組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，用Origin軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算擬合，結(jié)果如圖3所示．

表2 B組實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，（溫度為22.0 ℃，CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 206 μS/cm）

圖3 B組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果圖

從圖3可以得知，B組同學(xué)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果為：相關(guān)系數(shù)R = 0.999 97，斜率為19.904 44，計(jì)算速率常數(shù)k = 5.419 6 L·mol-1·min-1，與文獻(xiàn)值5.303 9 L·mol-1·min-1較為接近[5]．

4 結(jié) 語

從以上結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)了反應(yīng)器和反應(yīng)物的混合方式后，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以方便地控制實(shí)驗(yàn)溫度和混合反應(yīng)物；（2）學(xué)生能夠得到較為準(zhǔn)確的速率常數(shù)和較好的擬合相關(guān)系數(shù)．

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（責(zé)任編輯：張新玲）

An Improved Experiment for Determining Rate Constant of Saponification Reaction Using Electric Conductant Method

CHEN Shuhong ZHANG Liying YUE Yan HOU Jian WEN Qiang LI Tingzhen

The study aims to improve the mixing mode and reactor of the experiment for determining rate constant of acetic ether saponification using electric conductant method. By using a double layer thermostatic beaker as the reactor, the reaction temperature can be efficient controlled. The analytically pure acetic ether has been poured into reactor by micro pipettes, after that the reactants have been quickly mixed with a magnetic stirrer. The κ0 and κt are measured easily with this improvement in experiment. It enables students to obtain comparatively accurate rate constant and better correlation coefficients.

saponification; experimental improvement; reactor; mixing mode

O6-33，O643.11

A

1009-8135（2016）03-0061-04

2015-12-13

陳書鴻（1975-），男，四川丹棱人，重慶三峽學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（133014）、重慶三峽學(xué)院教改項(xiàng)目(JG150707，SD150114)階段性成果