乙酸乙酯皂化反应速率常数测定实验的改进

陈书鸿 张丽莹 乐 艳 侯 健 文 强 李廷真



乙酸乙酯皂化反应速率常数测定实验的改进

陈书鸿 张丽莹 乐 艳 侯 健 文 强 李廷真

（重庆三峡学院环境与化学工程学院，重庆 404100）

改进了电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数实验的反应器和反应物混合方式．采用了一种改进的双层恒温烧杯作为反应器，可以准确地控制反应温度．用单通道移液器量取分析纯乙酸乙酯加入反应器，使用磁力搅拌器快速混合反应物．改进后的实验能够方便地测量κ和κ，学生通过实验可以得到较为准确的速率常数和较好的数据拟合相关系数．

皂化反应；实验改进；反应器;混合方式

1 前 言

用电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数是物理化学动力学部分的一个基础实验[1–6]．目前，大多数高校都是在乙酸乙酯和氢氧化钠初始浓度相等的条件下进行皂化反应实验[1–4]．但是乙酸乙酯易挥发，其水溶液会水解；氢氧化钠又必须是新配制的，要满足这一条件很难做到．同时，实验要求温度恒定，并且要求反应物混合时间短[4]，这种情况较难找到一种适合的反应器．许多学者对皂化反应的实验方法[5–12]、实验装置[13–17]及数据处理方法[18–21]提出了改进措施，但还是存在着一些不足，比如恒温没有得到有效解决，乙酸乙酯可能会水解以及充分与氢氧化钠溶液混合的问题，这可能会造成学生实验数据回归分析线性差，不易得到准确结果．

本文作者在多年的教学过程中，针对本实验的问题采取了一些改进措施，主要有两方面：（1）改进了反应器；（2）改进了反应物的混合方式．改进之后，学生实验效果良好．

2 实验部分

2.1 实验仪器和试剂

仪器：皂化反应实验装置（ZHFY-I，南京桑力电子设备厂；含铂黑电导电极），电子天平（规格1200g/0.1g，上海菁华科技仪器有限公司），电子天平（规格110g/0.1mg，梅特勒-托利多仪器有限公司），纯水机（UPT-I-20T，成都优普科学仪器有限公司），单通道移液器（规格10-100 μL，大龙兴创实验仪器有限公司），磁力搅拌器（78HW-1，江苏正基仪器有限公司），计时器，恒温反应器（自制），碱式滴定管（50.00 mL）．

试剂：氢氧化钠（分析纯），乙酸乙酯（分析纯），邻苯二甲酸氢钾（分析纯），纯水，酚酞指示剂．

2.2 实验原理

详细实验原理可参见教材[1–7]，本实验采用下列速率方程计算速率常数：

通过实验测定起始溶液的电导率κ0和不同时间t溶液的电导率κt，以κt对（κ0-κt）/t作图，得一直线，从直线的斜率可求出反应速率数k值．使用Origin软件处理实验数据，可得到直线斜率和相关系数R．

2.3 实验步骤

实验操作步骤与教材基本相同，下面列出改进后的操作．

2.3.1 实验装置图

改进后的实验装置如图1所示：反应器内部采用高型烧杯形状，外部是恒温夹套；为了使反应器内的溶液有足够的高度和杯口有足够的宽度，方便磁子搅拌并放置电导电极与温度计，反应器内部设计为梯形．杯口用硅胶（或橡胶）塞密封，开3个圆孔，分别为电极插口、温度计插口和加样口．

2.3.2 溶液配制

用精度0.1 g天平称量氢氧化钠固体，用新鲜纯水配制成一定体积的溶液，浓度约为0.01 mol/L．用精度0.1 mg天平准确称量邻苯二甲酸氢钾，对氢氧化钠溶液进行浓度标定．得到准确的浓度C0后，用式（2）计算等摩尔量的分析纯乙酸乙酯体积V(μL)：

式中，C0、V0分别为NaOH溶液的浓度和体积；

图1 实验装置示意图

M

1

、

ρ

1

、

w

1

分别为分析纯乙酸乙酯的分子量、密度、质量分数．

2.3.3 κ0及κt的测定

（1）用乳胶管连接恒温水浴，开启恒温水浴，设定温度．

（2）用大肚移液管准确量取50.00 mL氢氧化钠溶液置于反应器中，磁力搅拌器缓慢搅拌，温度恒定后，测定电导率κ0．

（3）计算出所需乙酸乙酯的用量，用量程为10~100 μL的移液器量取．

（4）将磁力搅拌器速度开到最大，取下橡胶塞加入乙酸乙酯，同时计时，然后塞上橡胶塞．

（5）持续快速搅拌约1 min后，将搅拌速度减慢，保持慢速均匀搅拌．然后依次记录2，4，6，8，10，12，15，20，15，20，25，30，35，40 min时刻的电导率κt．

（6）清洗实验用品，用Origin软件处理实验数据．

3 实验结果与讨论

3.1 改进措施

通常实验教材的方案需要配制0.02 mol/L、0.01 mol/L的氢氧化钠溶液和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会水解，水解产物为乙酸（CH3COOH）和乙醇（C2H5OH）．虽然消耗氢氧化钠的量没变，但是乙酸与氢氧化钠的反应速率极快，会造成电导率急剧减小，引起较大的误差．泮富友提出用移液管量取0.20 mL乙酸乙酯加入装有氢氧化钠溶液的三角瓶中，手摇混合[8]．有教材[6]使用微量注射器量取乙酸乙酯注入装有氢氧化钠溶液的锥形瓶中，手摇混合．有教材[7]采取玻璃泡封装乙酸乙酯置入氢氧化钠溶液中后，压破玻璃泡摇动反应器混合反应物．这种加样方式能够避免乙酸乙酯水解，但是量取工具不够精确或者操作麻烦，并且所采用的反应器不方便恒温．

基于以上原因，本文在文献[12]的基础上改进了反应器，如图1所示，可以方便地控制和测量反应温度．使用微量移液器量取分析纯乙酸乙酯加入到0.01 mol/L的氢氧化钠溶液，体积一般在0.05~0.10 mL．微量移液器具有准确性高和重复性好特点，近年来广泛用于生物、化学实验室，常用来精确量取小容量液体．为了更快地使反应物混合均匀，本实验使用了磁力搅拌器，在加乙酸乙酯前将搅拌速度调到很大，加入乙酸乙酯后继续快速搅拌1.5 min．改进后实验操作的优点在于：（1）不再配制乙酸乙酯水溶液，可以避免乙酸乙酯水解对实验造成不利的影响；（2）只需配制0.01 mol/L的氢氧化钠溶液，可以忽略加入乙酸乙酯后的体积变化，因此不必更换溶液而方便测得κ0．（3）采用磁力搅拌器混合反应物，比其他混合方式更方便．

3.2 学生实验结果

学生实验均获得了良好的实验效果，大部分同学拟合数据的相关系数R≥0.999，速率常数也接近于文献值．数据的准确度和精确度均高于前几年的学生实验结果，摘录部分列于下文．

表1是A组同学的实验原始数据，用Origin软件对表1数据进行计算拟合，结果如图2所示．

表1 A组实验原始数据（温度为25.0 ℃, CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 079 μS/cm）

图2 A组实验数据拟合结果图

从图2可以得知，A组同学的数据处理结果为：相关系数R = 0.99997，斜率为16.19495 = 1/(C0·k)，计算速率常数k = 6.6610 L·mol-1·min-1，与文献值6.4254 L·mol-1·min-1较为接近[5]．

表2是B组同学的实验原始数据，用Origin软件对表2数据进行计算拟合，结果如图3所示．

表2 B组实验原始数据，（温度为22.0 ℃，CNaOH= 0.009 27 mol/L，κ0=2 206 μS/cm）

图3 B组实验数据拟合结果图

从图3可以得知，B组同学的数据处理结果为：相关系数R = 0.999 97，斜率为19.904 44，计算速率常数k = 5.419 6 L·mol-1·min-1，与文献值5.303 9 L·mol-1·min-1较为接近[5]．

4 结 语

从以上结果可以看出，本实验改进了反应器和反应物的混合方式后，具有以下优点：（1）可以方便地控制实验温度和混合反应物；（2）学生能够得到较为准确的速率常数和较好的拟合相关系数．

[1] 东北师范大学.物理化学实验：第二版[M].北京：高等教育出版社，1989：177-181.

[2] 罗澄源，等.物理化学实验：第三版[M].北京：高等教育出版社，1991：136-142.

[3] 复旦大学，等.物理化学实验：第二版[M].北京：高等教育出版社，1993：127-131.

[4] 李元高.物理化学实验研究方法[M].长沙：中南大学出版社，2003.

[5] 傅杨武，梁克中，陈书鸿.基础化学实验(Ⅲ)—物理化学实验[M].重庆：重庆大学出版社，2011：115-120.

[6] 古凤才，肖衍繁，张明杰，等.基础化学实验教程：第二版[M].北京：科学出版社，2005：385-388.

[7] 陈六平，邹世春.现代化学实验与技术[M].北京：科学出版社，2007.

[8] 泮富友.对电导法测量乙酸乙醋皂化反应速率常数的一点改进[J].化学通报，1985，48（3）：50-51.

[9] 郭清松.乙酸乙酯皂化反应测量方法的改进[J].大学化学，1988，3（5）：63.

[10] 杨桂株，初晓峰，吕楠.乙酸乙酯皂化反应速度常数测定法改进的实验性研究[J].吉林师范学院学报，1997，18（1）：71-74.

[11] 王晓菊，陈瑞战.电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数的实验改进[J].长春师范学院学报，1999，18（5）：25-26.

[12] 李森兰.乙酸乙酯皂化反应速度常数测定实验研究[J].洛阳师范学院学报，2004（2）：54-57.

[13] 刘天晴.乙酸乙酯皂化反应实验装置的改进[J].实验室研究与探索，1993，37（3）：84.

[14] 王锐，吕祖舜，张云奎.乙酸乙酯皂化反应实验测试技术的新装置[J].大学化学，1997，12（1）：40-41.

[15] 刘树彬.乙酸乙酯皂化反应器的改进[J].大学化学，1999，14（3）：45-46.

[16] 罗觉生，赖璐，段明峰.乙酸乙酯皂化实验装置的改进[J].大学化学，2005，20（5）：33.

[17] 郑杜建.乙酸乙酯皂化实验装置的改进[J].高校实验室工作研究，2008（3）：75-77.

[18] 向明礼，曾小平，翟淑华，等.Excel在乙酸乙酯皂化反应三参数非线性拟合中的应用[J].西南民族大学学报：自然科学版，2004，30（1）：16-20.

[19] 凌锦龙.乙酸乙酯皂化反应实验数据处理方法的改进[J].通化师范学院学报，2005，26（2）：49-51.

[20] 陈书鸿，张丽莹，等.“温度和浓度对乙醇溶液粘度影响”实验设计[J].重庆三峡学院学报，2015（3）：87-90.

[21] 吴琼，艾佑宏，孙玉宝.乙酸乙酯皂化反应实验数据处理的一种新方法[J].高校实验室工作研究，2013（2）：34-35.

（责任编辑：张新玲）

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

陈书鸿（1975-），男，四川丹棱人，重庆三峡学院高级实验师，主要研究物理化学实验教学．

重庆市高等教育教学改革研究项目（133014）、重庆三峡学院教改项目(JG150707，SD150114)阶段性成果