基于色度傳感器探究乙酸乙酯的水解反應(yīng)

紀(jì)政　吳峰

摘要：探究了基于色度傳感器的乙酸乙酯水解反應(yīng)實驗，嘗試將實驗從定性層面上升到定量層面，發(fā)展成為乙酸乙酯水解反應(yīng)的探究性和創(chuàng)新性實驗，希望能為傳感器技術(shù)應(yīng)用于高中化學(xué)實驗教學(xué)提供一些借鑒和思考。

關(guān)鍵詞：色度傳感器;乙酸乙酯;水解反應(yīng);探究實驗

文章編號：1008-0546（2019）01-0089-03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.028

魯科版《化學(xué)2（必修）》[1]中研究乙酸乙酯在不同酸堿度下的水解情況，通過聞乙酸乙酯氣味消失的時間判斷水解的快慢，香味消失的時間越短，水解反應(yīng)速率越快。但是不同的人觀測時會存在一定的誤差，所以用觀察法誤差較大，只能作定性判斷。

利用色度傳感器，筆者嘗試將水層染色，通過觀測水層的透光率變化，可以精確反映乙酸乙酯在不同酸堿度時的水解情況。

一、實驗裝置與藥品

裝置：色度計傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機（如圖1所示）。

藥品：乙酸乙酯（AR）、蒸餾水、紅墨水溶液、pH分別為4、7、10的溶液。

二、實驗原理

1.色度傳感器的工作原理

色度傳感器是一種測量某種波長的光透過溶液程度（即透光率，T）的儀器。溶液吸光度（A）與透光率（T）之間的關(guān)系為A=lg（1/T），可由色度傳感器直接測得。根據(jù)朗伯比爾定律有：A=εbc（ε為摩爾吸光系數(shù)，b為液層厚度）。因此，在一定的濃度范圍內(nèi)，吸光度A與溶液濃度c呈線性關(guān)系。

2.乙酸乙酯水解的探究原理

實驗的大致思路為：向不同酸堿性的介質(zhì)溶液中滴入1—2滴紅墨水溶液，觀察乙酸乙酯水解時，溶液透光率改變的快慢，從而確定乙酸乙酯在何種酸堿度條件下水解的速率較快。

由于乙酸乙酯水解產(chǎn)生乙醇和乙酸，而乙醇和乙酸與水任意比互溶，將導(dǎo)致水層溶液稀釋，從而顏色變淺，因此，可以觀察單位時間內(nèi)水層變淺的多少來衡量乙酸乙酯在不同酸堿度時的水解快慢。

三、實驗步驟與結(jié)果討論

1.實驗步驟

（1）連接好數(shù)據(jù)采集器、色度傳感器等相關(guān)實驗裝置。

（2）選擇藍(lán)色光為透射光，分別使用黑色和透明的比色皿進(jìn)行兩點校準(zhǔn)，設(shè)置好采集時間為不限定，樣本取樣頻率為1個/s;向比色皿中加入2mL pH=4的溶液，滴加2滴紅墨水溶液，混合均勻，放入55℃恒溫箱中。三組空白實驗溶液透光率變化如圖3所示。

（3）選擇藍(lán)色光為透射光，分別使用黑色和透明的比色皿進(jìn)行兩點校準(zhǔn)，設(shè)置好采集時間為不限定，樣本取樣頻率為1個/s;向比色皿中加入2mL pH=4的溶液，滴加2滴紅墨水溶液，混合均勻，再加入1mL乙酸乙酯，放入55℃恒溫箱中。三組平行實驗溶液透光率變化如圖4所示。

（4）同樣的操作完成pH=7、pH=10乙酸乙酯水解時的水層透光率變化，如圖5、圖6所示。

2.實驗結(jié)果

將pH分別為4、7、10時，不加入乙酸乙酯做空白實驗，紅墨水溶液的透光率變化的三組曲線圖，設(shè)置成相同縮放比例。具體如下圖3所示。

將pH分別為4、7、10時，紅墨水溶液的透光率隨著乙酸乙酯的水解而變化的三組曲線圖，設(shè)置成相同縮放比例。具體如下圖4、圖5和圖6所示。

四、幾點思考

1.關(guān)于水層染色物質(zhì)的選擇

文獻(xiàn)顯示[2]，水層染色物質(zhì)有甲基橙、石蕊等指示劑，其目的在于清晰界分酯層與水層，通過一段時間酯層的減少量，來衡量乙酸乙酯水解的快慢。而本案例設(shè)計的思路是，通過觀察酯層透光率變化的多少，從而判斷乙酸乙酯水解的快慢。

本案例選擇的是紅墨水溶液，可不可以選擇甲基橙或石蕊染色呢？事實證明是不行的，因為案例中設(shè)計的三組對比實驗分別是pH=4、pH=7、pH=10的不同溶液，無論是甲基橙還是石蕊在不同酸堿度條件下的顏色都不同，對應(yīng)溶液的起始透光率也肯定各不相同。而且，隨著乙酸乙酯的水解，生成的乙酸越來越多，必然導(dǎo)致溶液pH的變化，從而引起溶液透光率的變化;另外由于水解產(chǎn)物逐漸溶于水，溶液被稀釋，透光率也會逐漸變大，兩種因素都會導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化，變量不可控，故不可選酸堿指示劑作為水層染色劑。

綜上所述，在水層染色劑的選擇需滿足以下原則：

（1）不能與乙酸乙酯水解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致水層顏色的變化。

（2）不能易溶于乙酸乙酯而導(dǎo)致水層顏色變化。

（3）不能與乙酸乙酯發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致水層顏色變化。

考慮實驗藥品的易得性原則，本實驗最終確定用教學(xué)中常用的紅墨水作水層染色劑，從實驗效果來看，紅墨水是比較理想的水層染色劑。

2.關(guān)于對比實驗的選擇

本實驗設(shè)置了三組對比實驗，分別是在溫度約55℃時pH分別為4、7、10的硫酸溶液、蒸餾水和氫氧化鈉溶液。本實驗的目的主要是為了從定量的角度描述乙酸乙酯在不同pH值時的水解情況，因此，筆者選取了三組pH相差3的溶液，從定量的角度說明了乙酸乙酯在堿性條件下水解較容易，反應(yīng)速率較快。

3.關(guān)于實驗變量的控制

本實驗的自變量是時間，因變量是水層透光率的變化，因此，其他無關(guān)變量都要控制相同。

（1）溫度。實驗是在溫度約為55℃下進(jìn)行的，實驗過程中，配制的硫酸溶液和氫氧化鈉溶液均已加熱至55℃，乙酸乙酯也是在55℃恒溫箱內(nèi)預(yù)熱后量取的，因此，三組對比實驗溫度基本控制相同。

（2）水層體積和酯層體積。實驗時控制加入水的體積為2mL，乙酸乙酯的體積為1mL，基本控制三組對比實驗水層體積和酯層體積相同。為防止實驗過程中酯層的揮發(fā)，筆者設(shè)計了一個與比色皿內(nèi)徑剛好嵌合且具有良好彈性的發(fā)泡塑料，如圖7。很好地防止了因揮發(fā)導(dǎo)致的酯層減小，控制了實驗過程中的變量相同。

參考文獻(xiàn)

[1] 王磊，普通高中標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)2（必修）（3版）[M].濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007：81-82

[2] 相虎.酯的水解實驗的改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2003（4）