Chemie Protokoll Versuch 2 3 (RKV) Reaktionskinetik Esterverseifung Stuttgart, Sommersemester 202 Gruppe 0 Jan Schnabel Maximilian Möckel Henri Menke Assistent: Durmus 20. Mai 202
Inhaltsverzeichnis Theorie 3 2 Versuchsdurchführung 4 2. Auswertung 5 2.2 Weitere Aufgaben 7 3 Messwerte 0 3. Messwerte der Messung bei24 C 0 3.2 Messwerte der Messung bei26.5 C 3.3 Messwerte der Messung bei30 C 2 3.4 Messwerte der Messung bei35 C 3 Literatur 4 2
Theorie Theorie Die Reaktionskinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Verlauf von chemischen Reaktionen, der durch die Reaktionsgeschwindigkeit oder auch Reaktionsrate r bestimmt ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist definiert als die zeitliche Änderung der Konzentration und gibt Auskunft darüber, auf welche Weise die reagierenden Edukte in die jeweiligen Produkte umgewandelt werden. Im mathematischen Formalismus ausgedrückt entspricht die Reaktionsrate der ersten Ableitung der Konzentration eines Reaktionspartners nach der Zeit. Liegt folgende Reaktion vor: A+B C+D so gilt für die Ableitung der Konzentration nach der Zeit: dc A dt = dc B dt =+dc C dt =+dc D dt (.) was zum Ausdruck bringt, dass die Abnahme der Konzentration des Stoffes A im entsprechenden Zeitintervall gleich der Zunahme des Stoffes C ist. Hierbei wurde schon implizit eine Reaktion zweiter Ordnung eingeführt. Wobei zwei Edukte zu ein oder mehreren Produkten reagieren. Im konkreten Fall der basischen Esterverseifung liegt die folgende Reaktionsgleichung vor: CH 3 CO 2 C 2 H 5 + KOH CH 3 CO 2 K+C 2 H 5 OH (.2) wobei es sich um eine biekulare Reaktion handelt. Dabei wird durch die OH -Ionen die Acyl- Sauerstoffbindung gespalten. Von diesem Teil der Reaktion ist die Geschwindigkeit der Esterverseifung abhängig. Für die Reaktionsgeschwindigkeit folgt somit: dc Ester dt =k c Ester c OH -. (.3) Die Konstante k bezeichnet hierbei die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante. Sind nun die Ausgangskonzentrationen des Esters und der Base gleich, so erhält man: dc Ester dt =k c 2 Ester (.4) was durch Seperation der Variablen und anschließender Integration auf: c Ester (t) c Ester (0) =k t. (.5) wobeic Ester (t) der Konzentration des Esters zur Zeitt entspricht undc Ester (0) der Anfangskonzentration. Im Zuge der Reaktion werden die OH -Ionen durch Säureionen ersetzt. Die Konzentration der Hydroxidionen nimmt also mit fortschreitender Reaktion ab. Da aber Hydroxidionen im elektrischen Feld beweglicher sind als Säureionen und somit für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich sind, kann über die Abnahme der Hydroxidionen und die daraus resultierende Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt werden. Es gilt damit folgende Relation für die Esterkonzentration: c Ester (t) C Ester (0) = L(t) L( ) L(0) L( ) (.6) 3
2 Versuchsdurchführung Da die Reaktionsgeschwindigkeit auch noch von der Temperatur abhängt und die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante mit steigender Temperatur ebenfalls zunimmt wird die Arrheniusgleichung eingeführt, welche die genannten Zusammenhänge berücksichtigt. k=k 0 exp E A RT (.7) beziehungsweise logarithmiert: lnk=lnk 0 E A R T. (.8) Die Aktivierungsenergie kann durch Messung der Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante k bestimmt werden. 2 Versuchsdurchführung Aufgabenstellung Bestimmung der Reaktionskinetik der Esterverseifung mit Hilfe von Leifähigkeitsmessungen Durchführung Zunächst wird zur Bestimmung des Leitfähigkeitswerts in einem Becherglas 00 ml 0, 05N KOH Lösung hergestellt. Dazu mischt man 50 ml Wasser mit 50 ml 0, N KOH Lösung. Die Lösung wird auf 30 C beziehungsweise später auf 35 C erwärmt. Dieser Wert entspricht dem Leitfähigkeitswert zum Zeitpunkt t=0. Danach wird eine Lösung mit50 ml0,n Kalilauge hergestellt und auf die entsprechende Temperatur erhitzt. Nachdem sich die gewünschte Temperatur einstellt wird 50 ml 0, N Essigsäureethylester zur Kalilauge dazugegeben. Mit Zugabe von Essigsäureethylester beginnt die Messung der Leitfähigkeitswerte. Die gelieferten Messwerte werden dokumentiert, zu Beginn in Zeitintervallen von t 20 s, nach etwa 0 Minuten nur noch mit ein minütigen Abständen. Während der Messung wird hin und wieder die Temperatur des Systems überprüft, um zu schauen, ob die Temperatur hinreichend konstant bleibt. Nach weiteren 5 Minuten wird das Zeitintervall in dem die Dokumentation der Messwerte erfolgt auf zwei Minuten vergrößert und zehn Minuten später schließlich auf vier Minuten. Mit Vollendung der ersten einstündigen Messreihe wird die Lösung aus Kalilauge und Essigsäureethylester in einen Kolben gefüllt und zur zweiten Messreihe mit ins Wasserbad gegeben, um zu gewährleisten, dass die Versuchstemperatur von30 C ungefähr erhalten bleibt. Anschließend begann die zweite Messreihe bei der, wie bereits erwähnt, exakt gleich vorgegangen wird. Lediglich die Einteilung der Intervalle in denen die Messwerte dokumentiert werden, werden geändert. Mit Abschluss der zweiten Messreihe wird nur noch ein letzter Wert für die Leitfähigkeit der ersten Lösung gemessen. Beobachtung Während der Durchführung des Versuchs macht man bei beiden Messreihen ähnliche Beobachtungen. Zu Beginn der jeweiligen Messung ist in beiden Fällen ein deutliches Abfallen der Leitfähigkeitswerte zu beobachten. Ebenfalls kann man bei beiden Messreihen beobachten, dass sich nach 4
Versuchsdurchführung 2 etwa zehn Minuten bereits ein Stagnieren der Messwerte abzeichnet. Darüber hinaus ist zu sehen, dass die Temperaturen nicht exakt der jeweils gewünschten Temperatur entspricht, sondern etwas darunter liegen. Der signifikante Unterschied der zwischen den beiden Messreihen besteht, sind die höheren Messwerte des Leitfähigkeitswerts bei der35 C Messung. Außerdem kann man bei dieser Messreihe beobachten, dass die Messwerte gegen Ende des Versuchs wieder unerwartet ansteigen 2. Auswertung Wenn man Gleichung (.6) umformt erhält man bzw. c Ester (t) = L(0) L( ) (L(t) L( ))c Ester (0) c Ester (t)= (L(t) L( ))c Ester(0) L(0) L( ) 6000 5000 24 C 26.5 C 30 C 35 C ] [ /l 4000 3000 cester 2000 000 0 0 0 20 30 40 50 60 t [min] 5
2 Versuchsdurchführung 600 400 200 ] [ /l 000 800 cester 600 400 200 0 200 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 t [min] Die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante kann aus der Steigung der Regressionsgerade abgelesen werden. für24 C für26.5 C für30 C für35 C k=0.259 l s k=0.225 l s k=0.2896 l s k=.932 l s 6
Versuchsdurchführung 2 ln k [Keine Einheit] 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8.2.4.6.8 lnk 2 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 0.042 [ ] min t Der Anstieg der Regressionsgerade entspricht somit m= E A R E A = m R =25.868 K 8.34 =046.375 J J K 2.2 Weitere Aufgaben Geschwindigkeitskonstante bei373 K mit Hilfe von Gleichung (0) aus [Har2, S. ]: Zunächst ermittelt malk 0 als k 0 = 4 i= ( ) EA k i exp R T =0.727 l s ( k=k 0 exp E A =0.727 exp =0.59 l s ) R T ( 046.375 J 8.34 K 373K J ) 7
2 Versuchsdurchführung Herleitung de Abhängigkeit der Halbwertszeit von der Konzentration aus Gleichung (7) aus [Har2, S. 08]: c Ester (t) c Ester (0) =k t c Ester (t/2)= 2 c Ester(0) 2 c Ester(0) c Ester (0) =k t /2 c Ester (0) =k t /2 t/2= c Ester (0) k (2.) Und für die Viertelwertszeit c Ester (t) c Ester (0) =k t c Ester (t/4)= 4 c Ester(0) 4 c Ester(0) c Ester (0) =k t /4 3 c Ester (0) =k t /4 t/4= 3 c Ester (0) k =3 t /2 (2.2) Rechnerische Bestimmung vont/2 undt/4 mit (2.) und (2.2) 24 C 26.5 C t/2 92.635 s.544 min 96.575 s.60 min t/4 277.905 s 4.632 min 289.725 s 4.83 min 30 C 35 C t/2 69.06 s.5 min 7.832 s 0.297 min t/4 207.83 s 3.453 min 53.496 s 0.89 min Graphische Bestimmung 24 C 26.5 C 30 C 35 C t/2 4.0 min 3.2 min 2.4 min 0.5 min t/4 9.5 min 9. min 7.0 min.5 min 8
Versuchsdurchführung 2 0.05 0.045 0.04 0.035 24 C 26.5 C 30 C 35 C ] [ cester l 0.03 0.025 0.02 0.05 0.0 0.005 0 0 2 4 6 8 0 t [min] 9
3 Messwerte 3 Messwerte 3. Messwerte der Messung bei24 C Zeit (m) Leitfähigkeit (ms) 0.000 4.7 0.250 4.5 0.500 4.38 0.750 4.29.000 4.2.250 4..500 4.03.750 3.95 2.000 3.89 2.250 3.83 2.500 3.76 2.750 3.7 3.000 3.66 3.250 3.62 3.500 3.57 3.750 3.54 4.000 3.5 4.250 3.46 4.500 3.43 4.750 3.39 5.000 3.36 5.250 3.34 5.500 3.3 5.750 3.28 6.000 3.26 6.250 3.24 6.500 3.2 6.750 3.9 7.000 3.7 7.250 3.5 7.500 3.3 7.750 3. 8.000 3. 8.250 3.08 8.500 3.06 8.750 3.05 9.000 3.03 9.250 3.02 9.500 3.0 9.750 2.99 0.000 2.99 0.250 2.97 0.500 2.96 0.750 2.95.000 2.94.250 2.92.500 2.9.750 2.9 2.000 2.88 2.250 2.87 2.500 2.86 2.750 2.85 3.000 2.84 3.250 2.84 3.500 2.83 3.750 2.82 4.000 2.8 4.250 2.8 4.500 2.8 4.750 2.8 5.000 2.79 5.250 2.78 5.500 2.78 5.750 2.77 6.000 2.77 6.250 2.76 6.500 2.76 7.000 2.75 7.500 2.74 8.000 2.73 8.500 2.72 9.000 2.7 9.500 2.7 20.000 2.69 20.500 2.69 2.000 2.68 2.500 2.67 22.000 2.67 22.500 2.66 23.000 2.65 23.500 2.65 24.000 2.64 24.500 2.64 25.000 2.63 26.000 2.63 27.000 2.62 28.000 2.6 29.000 2.6 30.000 2.59 3.000 2.58 32.000 2.58 33.000 2.57 34.000 2.57 35.000 2.56 36.000 2.55 38.000 2.54 40.000 2.53 42.000 2.53 44.000 2.52 46.000 2.5 48.000 2.5 50.000 2.5 57.000 2.49 6.000 2.48 0
Messwerte 3 3.2 Messwerte der Messung bei26.5 C Zeit (m) Leitfähigkeit (ms) 0.000 4.4 0.250 4.56 0.500 4.55 0.750 4.46.000 4.36.250 4.28.500 4.8.750 4.2 2.000 4.05 2.250 3.98 2.500 3.92 2.750 3.86 3.000 3.8 3.250 3.76 3.500 3.72 3.750 3.68 4.000 3.64 4.250 3.6 4.500 3.57 4.750 3.52 5.000 3.48 5.250 3.46 5.500 3.43 5.750 3.4 6.000 3.39 6.250 3.36 6.500 3.34 6.750 3.32 7.000 3.3 7.250 3.29 7.500 3.27 7.750 3.26 8.000 3.24 8.250 3.23 8.500 3.2 8.750 3.2 9.000 3.9 9.250 3.7 9.500 3.6 9.750 3.5 0.000 3.4 0.250 3.3 0.500 3.2 0.750 3..000 3..250 3.09.500 3.08.750 3.07 2.000 3.06 2.250 3.05 2.500 3.05 2.750 3.04 3.000 3.03 3.250 3.02 3.500 3.02 3.750 3.0 4.000 3 4.250 3 4.500 2.99 4.750 2.98 5.000 2.97 5.500 2.96 6.000 2.95 6.500 2.94 7.000 2.93 7.500 2.92 8.000 2.92 8.500 2.9 9.000 2.9 9.500 2.89 20.000 2.88 20.500 2.88 2.000 2.87 2.500 2.87 22.500 2.85 23.500 2.84 24.500 2.83 25.500 2.82 26.500 2.82 27.500 2.8 28.500 2.8 29.500 2.79 30.500 2.78 3.500 2.78 32.500 2.77 33.500 2.76 35.500 2.75 37.500 2.74 39.500 2.74 4.500 2.73 44.500 2.72
3 Messwerte 3.3 Messwerte der Messung bei30 C Zeit (m) Leitfähigkeit (ms) 0.000 9.54 0.333 4.80 0.666 4.57.000 4.34.333 4.9.666 4.07 2.000 3.95 2.333 3.87 2.666 3.73 3.000 3.67 3.333 3.58 3.666 3.52 4.000 3.44 4.333 3.38 4.666 3.33 5.000 3.27 5.333 3.23 5.666 3.8 6.000 3.6 6.333 3.3 6.666 3.09 7.000 3.05 7.333 3.0 7.666 2.97 8.000 2.96 8.333 2.94 8.666 2.93 9.000 2.90 0.000 2.87.000 2.84 2.000 2.8 3.000 2.79 4.000 2.77 5.000 2.76 6.000 2.75 7.000 2.73 8.000 2.72 9.000 2.7 20.000 2.69 2.000 2.68 22.000 2.67 23.000 2.66 25.000 2.64 27.000 2.63 29.000 2.62 3.000 2.60 33.000 2.59 37.000 2.58 4.000 2.57 45.000 2.56 49.000 2.54 53.000 2.52 60.000 2.5 2
Messwerte 3 3.4 Messwerte der Messung bei35 C Zeit (m) Leitfähigkeit (ms) 0.000 9.22 0.083 8.88 0.66 8.5 0.250 7.7 0.333 7.09 0.46 6.82 0.500 6.45 0.583 6.0 0.666 5.90 0.750 5.60 0.833 5.5 0.96 5.34.083 5.2.250 4.86.500 4.78.750 4.69 2.000 4.52 2.250 4.4 2.500 4.33 2.750 4.26 3.000 4.22 3.250 4.4 3.500 4.08 3.750 4.04 4.000 4.00 4.250 3.97 4.500 3.92 4.750 3.88 5.000 3.83 5.250 3.8 5.500 3.79 6.000 3.75 6.500 3.72 7.000 3.69 7.500 3.67 8.000 3.65 8.500 3.63 9.000 3.6 9.500 3.59 0.000 3.58 0.000 3.57.000 3.54 2.000 3.53 3.000 3.52 4.000 3.50 5.000 3.49 6.000 3.48 7.000 3.47 8.000 3.46 9.000 3.45 2.000 3.43 23.000 3.42 25.000 3.40 27.000 3.40 29.000 3.40 3.000 3.39 35.000 3.39 39.000 3.40 43.000 3.42 3
Literatur [Har2] Hartenbach, I.:. Universität Stuttgart, 202. [MM07] Mortimer, C. und Müller, U.:. Thieme Verlag, 9. Auflage, 2007. 4