Versuchsprotokoll. Esterverseifung

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1 Versuhsprotokoll Versuhsdatum: Protokolldatum: Sttempell Durhgeführt von: Esterverseifung 1. Inhaltsangabe 1..Inhaltsangabe Aufgabenstellung Einleitung Versuhsaufbau Geräteeinsatz Beshreibung der Versuhsdurhführung Auswertung Bestimmung der Ausgangskonzentration von Bestimmung der Ausgangskonzentration von Methylaetat Bestimmung der Konzentration der Produkte Rehnerishe Auswertung Ergebnisse Bestimmung des zeitlihen Umsatzes der Reaktion Bestimmung für die Reaktion bei 20 C Bestimmung für die Reaktion bei 30 C Ergebnisse für Reaktionstemperatur 30 C Bestimmung für die Reaktion bei 40 C Ergebnisse für Reaktionstemperatur 40 C: Bestimmung von E a und A 0 über die Arrhenius-Beziehung Auswertetabelle Bestimmung E a Diskussion

2 9..Anhang Diagramm 1: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 20 C Diagramm 2: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 30 C Diagramm 3: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 40 C Diagramm 4: Abhängigkeit der Reaktionsgeshwindigkeit von der Temperatur

3 2. Aufgabenstellung Bestätigung des Geshwindigkeitsgesetzes Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeshwindigkeit Bestimmung von E a und A 0 (nah Arrhenius) 3. Einleitung In der experimentellen Reaktionskinetik ist es notwendig, zu einem beliebigen Zeitpunkt der beobahteten Reaktion die exakten Stoffmengen bzw. Konzentrationen der beteiligten Komponenten zu kennen. Die verwendeten Analysenmethoden dürfen keinen Einfluss auf die zu untersuhende Reaktion haben. Im folgenden Versuh wird die Leitfähigkeitsmessung eingesetzt, um den Verbrauh an Natronlauge und die entsprehende Konzentrationsabnahme des Esters zu bestimmen. Die Anfangskonzentration des Esters wird photometrish ermittelt. Aus der Bestimmung des zeitlihen Reaktionsverlaufs werden das Geshwindigkeitsgesetz und somit auh die Reaktionsordnung bestimmt. r 1 d = ν dt bzw: r 1 C = ν t Hierbei ist ν die stöhiometrishe Zahl aus der Reaktionsgleihung. Wie aus der Arrhenius-Gleihung ersihtlih wird, ist die Reaktionsgeshwindigkeit temperaturabhängig, sie steigt mit zunehmender Temperatur. k Ea RT = A 0 e Arrhenius Gleihung mit: A 0 : präexponentielle Faktor E a : Aktivierungsenergie Für die alkalishe Esterverseifung wird eine Reaktion 2.Ordung angenommen. Diese Vermutung soll im folgenden Versuh bestätigt werden. 3

4 4. Versuhsaufbau 4.1. Geräteeinsatz Condutometer E518 (Fa. Metrohm) Doppeltplatinbleh-Elektrode Zellkonst.: 0,665 m -1 UV/VIS Spektrophotometer Lambda 2 (Perkin Elmer) Heizbarer Magnetrührer mit Kontaktthermometer, Wasserbad, 500mL-Rundkolben, 250mL-Messzylinder Ein 500mL-Rundkolben tauht in ein thermostatisiertes Wasserbad. Der Rundkolben wird mit der Leitfähigkeitsmesszelle kombiniert mit einer Shliffhülse vershlossen um das Abdampfen von Methylaetat zu verringern. Die Zelle tauht bis zu den Löhern in die Reaktionsmishung ein. 5. Beshreibung der Versuhsdurhführung Die zur Reaktion einzusetzenden Lösungen sind auf die gewünshte Temperatur im Wasserbad einzustellen. Je 200 ml Natronlauge und Methylaetat-Mishung werden in einen 500 ml Rundkolben zeitgleih eingebraht und dabei die Zeitmessung gestartet. Der Rundkolben wird mit der Leitfähigkeitsmesszelle kombiniert mit einer Shliffhülse vershlossen um das Abdampfen von Methylaetat zu verringern. Die spezifishe Leitfähigkeit ist in Zeitintervallen von 1 min (nah 6 min in a. 2 min-intervallen) in einem Messbereih von 20 min zu registrieren. Die Anfangskonzentration der wird ebenfalls über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt. Die Konzentration an Methylaetat wird spektroskopish bei 203 nm mit dem PMQII Photometer bestimmt. 4

5 6. Auswertung 6.1. Bestimmung der Ausgangskonzentration von Es gilt: k 1000 = L : Konzentration der Base zum Zeitpunkt t = 0 der Reaktion; OH o o L : Äquivalentleitfähigkeit von ; L = l + + Na l - OH = 2 k : spezifishe Leitfähigkeit zum Zeitpunkt t = 0 der Reaktion; 0 k = 0 k Da die Leitfähigkeit zum Zeitpunkt t = 0 durh den Reaktionsbeginn ungenau bestimmbar ist, wird die Leitfähigkeit der Ausgangslösung bestimmt und die Leitfähigkeitänderung durh das Verdünnen im Reaktionskolben berüksihtigt Bestimmung der Ausgangskonzentration von Methylaetat 2 Es gilt: E E = e d e: Extinktionskoeffizient von Methylaetat bei 203 nm; e 203 = 53 l m -1 mol -1 d: Shihtdike; d = 1 m E: Extinktion der Ausgangslösung bei 203 nm E0 : Konzentration des Esters Ester zum Zeitpunkt t = 0 der Reaktion. Die Konzentration an Ester zum Zeitpunkt t = 0 ist E E = 0 2 5

6 6.3. Bestimmung der Konzentration der Produkte Skriptversion k - k o - - OH l 0 t Es gilt: x = 1000 l o A - k : spezifishe Leitfähigkeit zum Zeitpunkt t = 0 der Reaktion 0 k : spezifishe Leitfähigkeit zum Zeitpunkt t der Reaktion t l o OH - : Ionenleitfähigkeit bei unendliher Verdünnung von OH - l o - : Ionenleitfähigkeit bei unendliher Verdünnung von A- A 6.4. Rehnerishe Auswertung k L : spezifishe Leitfähigkeit der eingesetzten (aq) : Äquivalentleitfähigkeit der (aq) m Ester : Einwaage an Methylaetat (zu 1000ml Wasser) E 203 : Extinktion der eingesetzten Methylaetatlösung Wertetabelle T / C Funktion / Formel k / ms m -1 = κ + 0,0776* T 4,09 4,87 5,64 m Ester / g 1,57 1,57 1,57 E 203 1,125 1,125 1,125 l o (T) / OH - S m2-1 mol 3,33 T = 176,6 209,9 243,2 l o (T) / A - S m2-1 mol 1,10 T + 15,5 = 37,5 48,5 59,5 l o (T) / S m 2-1 mol 1,30 T + 21,0 = 47,0 60,0 73,0 Na + L (T) / S m 2 mol -1 l o (T) + Na l o (T) = 223,6 269,9 316,2 + OH - 6

7 7. Ergebnisse Konzentrationsbestimmung der Methylaetat-Lösung Die gemessene Extinktion der Methylaetat-Lösung beträgt: 1,125 ( 203 nm) Die Konzentration des Esters Ester E 0 = 0,0106 ± 2, mol L -1 Abshätzung der Genauigkeit zum Zeitpunkt t=0 der Reaktion Extinktion: Shwankung der Anzeige: ± 0,02; 0,02/1, = ± 1,78% Genauigkeit beim Abmessen mit Messzylinder: ± 1,5 ml; 1,5/200mL = ± 0,75% Max. Fehler: ± 2,53 % (2, mol L -1 ) Konzentrationsbestimmung der -Lösung Die gemessene Leitfähigkeit der (aq) beträgt: 4,09 ms m -1 ( 20 C) Die Konzentration der Base - OH = 9, ± 0, mol L -1 Abshätzung der Genauigkeit zum Zeitpunkt t=0 der Reaktion Leitfähigkeit: Ablesegenauigkeit der Anzeige, Temperaturkonstanz, Genauigkeit der Zellkonstanten: ± 0,1 ms/m ; 0,1/4, = ± 2,44% Genauigkeit beim Abmessen mit Messzylinder: ± 1,5 ml; 1,5/200 ml = ± 0,75% Max. Fehler: ± 3,19 % (0, mol L -1 ) 7

8 7.1. Bestimmung des zeitlihen Umsatzes der Reaktion Das Geshwindigkeitsgesetz lautet: k t = 1 - ln ( ) B - x 0 E 0 ( x) E 0 - B o Eo Bestimmung für die Reaktion bei 20 C t / min k / ms m -1 x / mol L -1 k 20 / L mol -1 min -1 y / L mol ,90 0, ,01 12,01 2 1,81 0, ,51 21,02 3 1,71 0, ,96 32,87 4 1,65 0, ,29 41,16 5 1,60 0, ,78 48,89 6 1,55 0, ,59 57,51 8 1,50 0, ,40 67,19 Zeihnerishe Auswertung: B o ( - x) ( - x) 1 E 0 ln - E o E 0 = k t allgemein: y = a x Ergebnisse für Reaktionstemperatur 20 C: Der durhshnittlihe Wert der rehnerish ermittelten Geshwindigkeitskonstanten k 20 = 10,22 ± 1,14 L mol -1 min -1-1 = 0,17 ± 0,02 L mol -1 s An Hand der Trendlinie wird folgende Geshwindigkeitskonstante k 20 = 8,0798 L mol -1 min -1 = 0,134 L mol -1 s -1 ; R 2 = 0,9805 ermittelt. 8

9 Bestimmung für die Reaktion bei 30 C t / min k / ms m -1 x / mol L -1 k 30 / L mol -1 min -1 y / L mol ,21 0, ,56 16,56 2 2,02 0, ,83 35,65 3 1,90 0, ,09 51,27 4 1,80 0, ,83 67,30 5 1,73 0, ,14 80,70 6 1,65 0, ,48 98,90 8 1,55 0, ,94 127,55 Zeihnerishe Auswertung: B o ( - x) ( - x) 1 E 0 ln - E o E 0 = k t allgemein: y = a x Ergebnisse für Reaktionstemperatur 30 C Der durhshnittlihe Wert der rehnerish ermittelten Geshwindigkeitskonstanten k 30 = 16,70 ± 0,63 L mol -1 min -1-1 = 0,28 ± 0,01 L mol -1 s An Hand der Trendlinie wird folgende Geshwindigkeitskonstante k 30 = 15,73 L mol -1 min -1 = 0,26 L mol -1 s -1 ; R 2 = 0,9984 ermittelt. 9

10 Bestimmung für die Reaktion bei 40 C t / min k / ms m -1 x / mol L -1 k 40 / l mol -1 min -1 y / L mol ,82 0, ,4 126,4 2 1,75 0, ,2 148,3 3 1,61 0, ,3 208,0 4 1,51 0, , ,44 0, , ,37 0, , ,29 0, ,3 602 Zeihnerishe Auswertung: B o ( - x) ( - x) 1 E 0 ln - E o E 0 = k t allgemein: y = a x Ergebnisse für Reaktionstemperatur 40 C: Der durhshnittlihe Wert der rehnerish ermittelten Geshwindigkeitskonstanten (bis t = 8 min) k 40 = 78,9 ± 3,27 L mol -1 min -1-1 = 1,32 ± 0,05 L mol -1 s An Hand der Trendlinie wird folgende Geshwindigkeitskonstante (bis t = 8 min) k 40 = 69,302 L mol -1 min -1 = 1,15 L mol -1 s -1 ; R 2 = 0,9760 ermittelt. 10

11 7.2. Bestimmung von E a und A 0 über die Arrhenius-Beziehung k 1 0 E - a R T1 = A e bzw. ln k1 = ln A 0 - R E a T 1 Daraus folgt: k1 ln R E k a 2 R T1 E a = und A = k e Ł T T 2 1 ł Zusammenfassung der Messwerte T / K k T / L mol -1 s -1 (T / K) -1 ln(k T / L mol -1 s -1 ) 293 0,13 0, , ,26 0, , ,16 0, ,14 11

12 Auswertetabelle Bestimmung E a Angewendete Temperaturverhältnisse E a / kj mol -1 / C 20 / 30 33,25 30 / ,47 20 / 40 77,94 Mittelwert 78,85 Auswertetabelle Bestimmung A 0 T / K -1 A 0 / L mol -1 s 293 1,94E ,11E ,92E+13 Mittelwert 1,66E+13 Die zeihnerish ermittelten Aktivierungsenergie E a beträgt: E - a = -9321,8 K -1-1 mit R = 8,315 J mol -1 K R E a = 77,5 kj mol -1 Die zeihnerish ermittelte Aktionskonstante A 0 beträgt: -1 ln A 0 = 29,847 L mol -1 s A 0 = 9, L mol -1 s Das Bestimmtheitsmaß ist dabei: 0,

13 8. Diskussion Es werden die Geshwindigkeitskonstanten für Reaktionstemperaturen von 20 C, 30 C und 40 C bestimmt. Mit zunehmender Temperatur nehmen die Geshwindigkeitskonstanten zu. Damit ist die Temperaturabhängigkeit der Reaktion nahgewiesen. Die grafishe Auswertung zeigt einen linearen Zusammenhang zwishen Reaktionszeit und Geshwindigkeitskonstanten, somit hat sih die Annahme bestätigt, dass es sih bei der alkalishen Esterverseifung um eine Reaktion zweiter Ordnung handelt. In Diagramm 4 wird die Ungenauigkeit der Messung deutlih. Die Messung bei 40 C musste wiederholt werden, da es aufgrund eines Wakelkontaktes zu starken Shwankungen der Konduktometer-Anzeige kam. Es ist niht auszushließen, dass der Wakelkontakt auh die vorherigen Messungen negativ beeinflusst hat. Außerdem hatten die Ester und die Laugelösung leiht abweihende Temperaturen ( T=0,5 C), da das Wasserbad keine Umwälzpumpe besitzt und es somit zu lokalen Temperaturuntershieden kommt. Weiterhin sind folgende Fehlerquellen zu nennen: Fehlerquelle Shwankung Ursahe Temperaturbestimmung ± 0,1 C Ablesegenauigkeit Volumenfehler: 50 ml Messzylinder ± 0,5 ml Gerätegenauigkeit 13

14 9. Anhang 9.1. Diagramm 1: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 20 C Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 20 C 80,00 60,00 y/l. mol -1 40,00 y = 8,0798x + 6,6223 R 2 = 0, ,00 0, t/min 14

15 9.2. Diagramm 2: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 30 C Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 30 C 150,00 100,00 y/l. mol -1 y = 15,726x + 3,1278 R 2 = 0, ,00 0, t / min 15

16 9.3. Diagramm 3: Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 40 C Zeitabhängigkeit des Stoffumsatzes bei 40 C 800,0 600,0 y/l. mol ,0 y = 69,302x + 16,082 R 2 = 0, ,0 0, t / min 16

17 9.4. Diagramm 4: Abhängigkeit der Reaktionsgeshwindigkeit von der Temperatur Abhängigkeit der Reaktionsgeshwindigkeit von der Temperatur 0,50 0,00-0,50 ln(kt/l. mol -1. s -1 ) -1,00-1,50 Reihe1 Linear (Reihe1) y = -9321,8x + 29,847 R 2 = 0,9067-2,00-2,50 0, , , , , , ,00345 (T/K) -1 17