Xác định hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai

BÁO CÁO THỰC HÀNH HÓA LÝ Bản tường trình số 5: XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG BẬC HAI Ngày làm thí nghiệm: thứ 2, ngày 12 tháng 5 năm 2014 Họ và tên sinh viên: Vũ Thị Hoàn I. MỤC ĐÍCH Xác định hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai iod aceton tự xúc tác. II. LÝ THUYẾT Phản ứng bậc hai là phản ứng có dạng: A + B ® Sp (1) 2A ® Sp (2) Mà biến thiên của mỗi chất trong quá trình phản ứng là đáng kể. Tốc độ phản ứng được viết lần lượt cho 2 phản ứng (1) và (2): v = - dCdt = KCACB v = - dCdt = KCA2 Biến thiên nồng độ theo thời gian có dạng như ứng với trường hợp phản ứng xảy ra. Phản ứng xảy ra trong môi trường đồng thể. Có hoặc không có chất xúc tác (nghịch đảo đường, xà phòng hóa ester) ứng với trường hợp có sự tự xúc tác (iod hóa aceton ). Tốc độ phản ứng tại thời điểm t nào đó được xác định bằng độ lệch của đường tiếp tuyến với đường biểu diễn so với trục thời gian, tại thời điểm đó. Trong trường hợp thứ nhất, tốc độ giảm dần và trong trường hợp thứ hai, tốc độ tăng dần theo thời gian. Phản ứng iod hóa aceton là phản ứng bậc hai có phương trình phản ứng như sau: CH3COCH3 + I2 D CH3COCH2I + HI Phản ứng xảy ra với tốc độ đáng kể trong môi trường acid hoặc kiềm. Cơ chế phản ứng trong hai trường hợp là khác nhau. Trong môi trường kiềm Do ion OH- kết hợp với ion H+ rất mạnh, trong phân tử aceton sẽ có sự chuyển dịch điện tử về oxy. H3C – C – CH3 || O Do đó mà H của 1 trong 2 nhóm metyl sẽ trở nên linh động và có xu hướng tách ra. Phản ứng xảy ra như sau: H3C – C - CH3 + OH- k1 H3C-C=CH2 + H2O || | O OH Khi đó sẽ có 1 cân bằng giữa aceton cetoenol vừa mới tạo nên, tốc độ của phản ứng này chậm (với hằng số tốc độ k1 bé) amincetoenol sẽ tương tác với iod. H3C – C – CH3 + I2 ® H3C – C – CH2 - I + HI || || O O Giai đoạn này xảy ra nhanh (với k2 >k1). Trong môi trường acid Khi có ion H+ đúng hơn là ion hydro-xoni H3O+) aceton trở nên háo H3O+, khi đó phản ứng xảy ra như sau: H3C – C - CH3 + H3O+ D H3C –C+ - CH3 + H2O || || O O Hydro của nhóm metyl trong nhóm anion cetoenol trở nên linh động và liên kết với các phân tử nước. H3C – C+ - CH3 + H2O k1 H3C- C = CH2 + H3O+ | | OH OH Phản ứng này xảy ra chậm ( với hằng số tốc độ k1 bé). Như vậy giai đoạn này của phản ứng là sự chuyển hóa toutomeceton và enol. Trong giai đoạn 2, enol kết hợp với iod. H3C -C = CH2 + I2 + H2O D H3C-C-CH2-I + H3O+ + I- k2 | || OH O Giai đoạn này xảy ra nhanh (với k2 > k1) . Như vậy phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm và acid khác nhau ở chỗ trong môi trường kiềm có tạo ion cetoenol, còn trong môi trường acid có chuyển hóa toutome ceton và enol. Trong cả hai trường hợp, tốc độ phản ứng được xác định bằng tốc độ của giai đoạn chậm tức giai đoạn đầu, nghĩa là qua k1. Trong môi trường acid. Ion hydro-xoni (H3O+) sinh ra mỗi lúc một nhiều, do đó có đầy đủ H3O+ cho phản ứng, vì thế phản ứng trong môi trường acid thuộc loại phản ứng tự xúc tác. Như vậy sự ion hóa aceton trong môi trường acid có tốc độ là tốc độ của giai đoạn thứ nhất tức là tạo enol, phụ thuộc vào nồng độ aceton và ion H3O+, chứ không phụ thuộc vào nồng độ iod, phản ứng là phản ứng bậc hai. Gọi số mol aceton và ion hydroxoni là a và b nồng độ của chúng là CA và CB, ở thời điểm t, có x mol aceton tham gia phản ứng và tạo được x mol H3O+ và cùng x mol I- lúc đó. Theo phương trình (1) ta sẽ có: Tách biến số rồi lấy tích phân ở x = 0 lúc t = 0 đến x và t, ta sẽ có: Lượng aceton ban đầu xác định bằng cách cộng lượng ion H+, bằng lượng dung dịch acid có nồng độ xác định đã lấy; lượng aceton đã tiêu thụ, theo độ gram, lượng iod đã tham gia phản ứng trong sự iod hóa. Như vậy, trong tính toán chỉ còn một biến số, được xác định bằng cách chuẩn độ hỗn hợp phản ứng bằng dung dịch thiosunfat. III. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Cho vào bình định mức 250ml, 25 ml dung dịch iod 0,1N I2 trong dung dịch KI 4%, 25 ml dung dịch HCl 1N, thêm nước cất cho đến khi còn độ 20 ml nữa thì vừa đến vạch. Dùng pipet 2ml lấy 1,83ml aceton cho vào bình phản ứng m = vo, lúc này được xem là thời điểm bắt đầu phản ứng, bấm giờ tính thời gian phản ứng. Sau đó tiếp tục thêm nước cất cho đến vach mức của bình định mức 250ml rồi lắc đều. Xác định Vt Các mẫu thử được lấy ra khỏi bình định mức mỗi lần 25 ml được đổ vào 25 ml dung dịch NaHCO3 0,1 N rồi chuẩn lượng iod còn dư bằng dung dịch Na2S2O3 0,01N có dung dịch hồ tinh bột làm chỉ thị. Thời gian lấy mẫu là lúc đầu tức lúc t = 0, sau đó t = 20, 40, 60, 80, 100 (phút) tất cả 6 mẫu, tướng ứng với đó ta thu được các V0 = Vt0, Vt1, Vt2, Vt3, Vt4, Vt5. Lưu ý NaHCO3 dùng để trung hòa với acid HCl để phản ứng giữa CH3COCH3 với I2 ngừng lại ] Tránh sai số thí nghiệm. Trên cơ sở lý thuyết thì sau thời gian phản ứng khi chuẩn độ ta sẽ thu được thể tích iod còn dư tương ứng với các giá trị thể tích của dung dich Na2S2O3 0.01N: Vt0 > Vt1 > Vt2 > Vt3 > Vt4 > Vt5 (*) Khi tiến hành thí nghiệm nếu ta thu được các giá trị quá sai khác với (*) ta cần phải xem xét và nhanh chóng làm lại thí nghiệm. Khi chuẩn độ I2 cần lưu ý ban đầu trước khi chuẩn độ thì dung dịch I2 đậm đặc có nồng độ lớn do vậy thể tích chất chuẩn độ dung dịch Na2S2O3 0.01N cần dùng quá lớn gây sai số thí nghiệm ] Ta vừa thêm dung dich Na2S2O3 0.01N vào dung dịch chất phản ứng vừa lắc đều đến khi nào dung dịch ban đầu chuyển từ màu nâu đen sang màu vàng sẩm thì mới thêm hồ tinh bột và tiến hành chuẩn độ từ từ bằng dung dich Na2S2O3 0.01N IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ RÚT RA NHẬN XÉT Kết quả thí nghiệm Thời gian t (phút) 0 20 40 60 80 100 Vdd Na2S2O3 (ml) 26 23.7 23 22.5 21.3 20.7 Tính toán x: số mol aceton đã phản ứng, chính bằng lượng iod đã phản ứng. Tính x bằng công thức: x = (Vo – Vt).C.10-3 Trong đó: V0 và Vt là thể tích dung dịch thio-sulfat, đã dùng để chuẩn lúc t = 0 và vào lúc t, tính bằng ml. C nồng độ dung dịch thio-sulfat, dlg/lit. Tương ứng với đó ta có bảng giá trị của x sau: Thời gian t (phút) 0 20 40 60 80 100 C (dlg/lit) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 x (mol) 0 2,3.10-5 3.10-5 3,5.10-5 4,7.10-5 5,3.10-5 Biểu đồ Căn cứ vào phương trình : lg b+x.aa-x.b = a+b.k2,303.t Trong đó: a: số mol aceton lúc đầu, được tính từ hiệu số khối lượng aceton trong 25ml dung dịch b: số mol acid HCl lúc đầu, được tính từ 25ml HCl 1N trong 25ml dung dịch. Tương ứng với đó ta có bảng giá trị sau: t (phút) 0 20 40 60 80 100 x (mol) 0 2,3.10-5 3.10-5 3,5.10-5 4,7.10-5 5,3.10-5 a (mol) 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 b (mol) 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 0.025 lg b+x.aa-x.b 0 7,99.10-4 10,42.10-4 12,16.10-4 16,33.10-4 18,42.10-4 Vẽ biến thiên lg b+x.aa-x.b theo t thì hệ số góc của đường thẳng là giá trị k cần xác định. Nhận xét: Từ đồ số liệu thực nghiệm ta vẽ được đồ thị là đường thẳng có phương trình y = 0.00002x + 0.0002 Tương đương với dạng phương trình đường thẳng: y = a.x + b có hệ số góc a = k = 0,00002, Giá trị hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai giữa aceton và iod: k’ = 20.5 (phut-1.N-1). Hằng số tốc độ của phản ứng bậc hai iod và aceton tự xúc tác k’ = 0.00002 là hoàn toàn phù hợp với tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ aceton và H+. Sự ion hóa aceton trong môi trường acid có tốc độ của quá trình thứ nhất tạo enol (giai đoạn chậm). Hằng số cân bằng k đặc trưng cho tốc độ phản ứng, chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tằng và ngược lại khi ta giảm nhiệt độ của hệ tốc độ của phản ứng giảm. Ngoài ra còn phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia phản ứng, chất xúc tác. Sai số trong thí nghiệm chủ yếu diễn ra trong quá trình chuẩn độ, do tiến hành chuẩn độ chưa chính xác, quá trình quan sát hiện tượng mất màu của dung dịch còn mang tính định tính chủ yếu dựa vào cảm tính chủ quan của người quan sát.