乙酸乙酯皂化反應速率常數測定實驗的改進

陳書鴻 張麗瑩 樂 艷 侯 健 文 強 李廷真

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乙酸乙酯皂化反應速率常數測定實驗的改進

陳書鴻 張麗瑩 樂 艷 侯 健 文 強 李廷真

（重慶三峽學院環境與化學工程學院，重慶 404100）

改進了電導法測定乙酸乙酯皂化反應速率常數實驗的反應器和反應物混合方式．采用了一種改進的雙層恒溫燒杯作為反應器，可以準確地控制反應溫度．用單通道移液器量取分析純乙酸乙酯加入反應器，使用磁力攪拌器快速混合反應物．改進后的實驗能夠方便地測量κ和κ，學生通過實驗可以得到較為準確的速率常數和較好的數據擬合相關系數．

皂化反應；實驗改進；反應器;混合方式

1 前 言

用電導法測定乙酸乙酯皂化反應速率常數是物理化學動力學部分的一個基礎實驗[1–6]．目前，大多數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行皂化反應實驗[1–4]．但是乙酸乙酯易揮發，其水溶液會水解；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，實驗要求溫度恒定，并且要求反應物混合時間短[4]，這種情況較難找到一種適合的反應器．許多學者對皂化反應的實驗方法[5–12]、實驗裝置[13–17]及數據處理方法[18–21]提出了改進措施，但還是存在著一些不足，比如恒溫沒有得到有效解決，乙酸乙酯可能會水解以及充分與氫氧化鈉溶液混合的問題，這可能會造成學生實驗數據回歸分析線性差，不易得到準確結果．

本文作者在多年的教學過程中，針對本實驗的問題采取了一些改進措施，主要有兩方面：（1）改進了反應器；（2）改進了反應物的混合方式．改進之后，學生實驗效果良好．

2 實驗部分

2.1 實驗儀器和試劑

儀器：皂化反應實驗裝置（ZHFY-I，南京桑力電子設備廠；含鉑黑電導電極），電子天平（規格1200g/0.1g，上海菁華科技儀器有限公司），電子天平（規格110g/0.1mg，梅特勒-托利多儀器有限公司），純水機（UPT-I-20T，成都優普科學儀器有限公司），單通道移液器（規格10-100 μL，大龍興創實驗儀器有限公司），磁力攪拌器（78HW-1，江蘇正基儀器有限公司），計時器，恒溫反應器（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 實驗原理

詳細實驗原理可參見教材[1–7]，本實驗采用下列速率方程計算速率常數：

通過實驗測定起始溶液的電導率κ0和不同時間t溶液的電導率κt，以κt對（κ0-κt）/t作圖，得一直線，從直線的斜率可求出反應速率數k值．使用Origin軟件處理實驗數據，可得到直線斜率和相關系數R．

2.3 實驗步驟

實驗操作步驟與教材基本相同，下面列出改進后的操作．

2.3.1 實驗裝置圖

改進后的實驗裝置如圖1所示：反應器內部采用高型燒杯形狀，外部是恒溫夾套；為了使反應器內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電極與溫度計，反應器內部設計為梯形．杯口用硅膠（或橡膠）塞密封，開3個圓孔，分別為電極插口、溫度計插口和加樣口．

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天平準確稱量鄰苯二甲酸氫鉀，對氫氧化鈉溶液進行濃度標定．得到準確的濃度C0后，用式（2）計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、質量分數．

2.3.3 κ0及κt的測定

（1）用乳膠管連接恒溫水浴，開啟恒溫水浴，設定溫度．

（2）用大肚移液管準確量取50.00 mL氫氧化鈉溶液置于反應器中，磁力攪拌器緩慢攪拌，溫度恒定后，測定電導率κ0．

（3）計算出所需乙酸乙酯的用量，用量程為10~100 μL的移液器量取．

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

（5）持續快速攪拌約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時刻的電導率κt．

（6）清洗實驗用品，用Origin軟件處理實驗數據．

3 實驗結果與討論

3.1 改進措施

通常實驗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水解，水解產物為乙酸（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速率極快，會造成電導率急劇減小，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，壓破玻璃泡搖動反應器混合反應物．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，并且所采用的反應器不方便恒溫．

基于以上原因，本文在文獻[12]的基礎上改進了反應器，如圖1所示，可以方便地控制和測量反應溫度．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．微量移液器具有準確性高和重復性好特點，近年來廣泛用于生物、化學實驗室，常用來精確量取小容量液體．為了更快地使反應物混合均勻，本實驗使用了磁力攪拌器，在加乙酸乙酯前將攪拌速度調到很大，加入乙酸乙酯后繼續快速攪拌1.5 min．改進后實驗操作的優點在于：（1）不再配制乙酸乙酯水溶液，可以避免乙酸乙酯水解對實驗造成不利的影響；（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得κ0．（3）采用磁力攪拌器混合反應物，比其他混合方式更方便．

3.2 學生實驗結果

學生實驗均獲得了良好的實驗效果，大部分同學擬合數據的相關系數R≥0.999，速率常數也接近于文獻值．數據的準確度和精確度均高于前幾年的學生實驗結果，摘錄部分列于下文．

表1是A組同學的實驗原始數據，用Origin軟件對表1數據進行計算擬合，結果如圖2所示．

表1 A組實驗原始數據（溫度為25.0 ℃, CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 079 μS/cm）

圖2 A組實驗數據擬合結果圖

從圖2可以得知，A組同學的數據處理結果為：相關系數R = 0.99997，斜率為16.19495 = 1/(C0·k)，計算速率常數k = 6.6610 L·mol-1·min-1，與文獻值6.4254 L·mol-1·min-1較為接近[5]．

表2是B組同學的實驗原始數據，用Origin軟件對表2數據進行計算擬合，結果如圖3所示．

表2 B組實驗原始數據，（溫度為22.0 ℃，CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 206 μS/cm）

圖3 B組實驗數據擬合結果圖

從圖3可以得知，B組同學的數據處理結果為：相關系數R = 0.999 97，斜率為19.904 44，計算速率常數k = 5.419 6 L·mol-1·min-1，與文獻值5.303 9 L·mol-1·min-1較為接近[5]．

4 結 語

從以上結果可以看出，本實驗改進了反應器和反應物的混合方式后，具有以下優點：（1）可以方便地控制實驗溫度和混合反應物；（2）學生能夠得到較為準確的速率常數和較好的擬合相關系數．

[1] 東北師范大學.物理化學實驗：第二版[M].北京：高等教育出版社，1989：177-181.

[2] 羅澄源，等.物理化學實驗：第三版[M].北京：高等教育出版社，1991：136-142.

[3] 復旦大學，等.物理化學實驗：第二版[M].北京：高等教育出版社，1993：127-131.

[4] 李元高.物理化學實驗研究方法[M].長沙：中南大學出版社，2003.

[5] 傅楊武，梁克中，陳書鴻.基礎化學實驗(Ⅲ)—物理化學實驗[M].重慶：重慶大學出版社，2011：115-120.

[6] 古鳳才，肖衍繁，張明杰，等.基礎化學實驗教程：第二版[M].北京：科學出版社，2005：385-388.

[7] 陳六平，鄒世春.現代化學實驗與技術[M].北京：科學出版社，2007.

[8] 泮富友.對電導法測量乙酸乙醋皂化反應速率常數的一點改進[J].化學通報，1985，48（3）：50-51.

[9] 郭清松.乙酸乙酯皂化反應測量方法的改進[J].大學化學，1988，3（5）：63.

[10] 楊桂株，初曉峰，呂楠.乙酸乙酯皂化反應速度常數測定法改進的實驗性研究[J].吉林師范學院學報，1997，18（1）：71-74.

[11] 王曉菊，陳瑞戰.電導法測定乙酸乙酯皂化反應速率常數的實驗改進[J].長春師范學院學報，1999，18（5）：25-26.

[12] 李森蘭.乙酸乙酯皂化反應速度常數測定實驗研究[J].洛陽師范學院學報，2004（2）：54-57.

[13] 劉天晴.乙酸乙酯皂化反應實驗裝置的改進[J].實驗室研究與探索，1993，37（3）：84.

[14] 王銳，呂祖舜，張云奎.乙酸乙酯皂化反應實驗測試技術的新裝置[J].大學化學，1997，12（1）：40-41.

[15] 劉樹彬.乙酸乙酯皂化反應器的改進[J].大學化學，1999，14（3）：45-46.

[16] 羅覺生，賴璐，段明峰.乙酸乙酯皂化實驗裝置的改進[J].大學化學，2005，20（5）：33.

[17] 鄭杜建.乙酸乙酯皂化實驗裝置的改進[J].高校實驗室工作研究，2008（3）：75-77.

[18] 向明禮，曾小平，翟淑華，等.Excel在乙酸乙酯皂化反應三參數非線性擬合中的應用[J].西南民族大學學報：自然科學版，2004，30（1）：16-20.

[19] 凌錦龍.乙酸乙酯皂化反應實驗數據處理方法的改進[J].通化師范學院學報，2005，26（2）：49-51.

[20] 陳書鴻，張麗瑩，等.“溫度和濃度對乙醇溶液粘度影響”實驗設計[J].重慶三峽學院學報，2015（3）：87-90.

[21] 吳瓊，艾佑宏，孫玉寶.乙酸乙酯皂化反應實驗數據處理的一種新方法[J].高校實驗室工作研究，2013（2）：34-35.

（責任編輯：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，重慶三峽學院高級實驗師，主要研究物理化學實驗教學．

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