Báo cáo thực hành hóa lý: 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 = - = KC
A
C
B
v = - = KC
A
2
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:
CH
3
COCH
3
+ I
2
 CH
3
COCH
2
I + 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.
H
3
C – C – CH
3
||
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:
H

3
C – C - CH
3
+ OH
-
H
3
C-C=CH
2
+ H
2
O
|| |
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 k
1
bé) amincetoenol sẽ tương tác với iod.
H
3
C

– C – CH
3
+ I
2
→ H
3
C

– C – CH
2
- I + HI
|| ||
O O
Giai đoạn này xảy ra nhanh (với k
2
>k
1
).
 Trong môi trường acid
Khi có ion H
+
đúng hơn là ion hydro-xoni H
3
O
+
) aceton trở nên háo H
3
O
+
, khi
đó phản ứng xảy ra như sau:
H
3
C

– C - CH
3
+ H

3
O
+
 H
3
C –C
+
- CH
3
+ H
2
O
|| ||
O O
Hydro của nhóm metyl trong nhóm anion cetoenol trở nên linh động và liên kết
với các phân tử nước.
H
3
C – C
+
- CH
3
+ H
2
O H
3
C- C = CH
2
+ H
3

O
+
| |
OH OH
Phản ứng này xảy ra chậm ( với hằng số tốc độ k
1
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.
H
3
C -C = CH
2
+ I
2
+ H
2
O  H
3
C-C-CH
2
-I + H
3
O
+
+ I
-
k
2
| ||

OH O
Giai đoạn này xảy ra nhanh (với k
2
> k
1
)

.
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 k
1
. Trong môi trường acid.
Ion hydro-xoni (H
3
O
+
) sinh ra mỗi lúc một nhiều, do đó có đầy đủ H
3
O
+
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 H
3
O

+
, 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 C
A
và C
B
, ở
thời điểm t, có x mol aceton tham gia phản ứng và tạo được x mol H
3
O
+
và cùng x mol
I
-
lúc đó.
V
xb
C
V
xa
C
B
A
+
=
−
=
Theo phương trình (1) ta sẽ có:
))((

2
xbxa
V
k
dt
dV
+−=
Tách biến số rồi lấy tích phân ở x = 0 lúc t = 0 đến x và t, ta sẽ có:
( )
[ ] [ ]
11
0 0
2
)(
lg
)(
.303,2
))((
−−
= =
−
+
+
=
=
+−
∫ ∫
nongdothoigian
bxa
axb

ba
V
k
dt
V
k
xbxa
dx
x
x
t
t
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 I
2
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 = v
o
, 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 V

t
Các mẫu thử được lấy ra khỏi bình định mức mỗi lần 25 ml được đổ vào 25 ml
dung dịch NaHCO
3
0,1 N rồi chuẩn lượng iod còn dư bằng dung dịch Na
2
S
2
O
3
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 V
0
= V
t0
,
V
t1
, V
t2
, V
t3
, V
t4
, V
t5
.
 Lưu ý
NaHCO

3
dùng để trung hòa với acid HCl để phản ứng giữa CH
3
COCH
3
với I
2
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 Na
2
S
2
O
3
0.01N:
V
t0
> V
t1
> V
t2
> V
t3
> V
t4
> V
t5
(*)
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 I
2
cần lưu ý ban đầu trước khi chuẩn độ thì dung dịch I
2
đậm đặc có
nồng độ lớn do vậy thể tích chất chuẩn độ dung dịch Na
2
S
2
O
3
0.01N cần dùng quá lớn
gây sai số thí nghiệm
 Ta vừa thêm dung dich Na
2
S
2
O
3
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 Na
2
S
2
O
3
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
(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 = (V
o
– V
t
).C.10
-3
Trong đó:
V
0
và V
t
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 = .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 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 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.