Báo cáo thí nghiệm hóa lý: Động học phản ứng thủy phân

Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM HĨA LÝ
BÀI 4: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG THỦY PHÂN

I. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
- Xác định phản ứng thủy phân ester trong môi trường kiềm là phản ứng bậc 2.
- Nắm vững ý nghĩa của năng lượng hoạt hóa và ảnh hưởng của nhiệt độ lên
hằng số tốc độ của phản ứng qua hệ thức Arrhénius.
- Sử dụng phương pháp chuẩn độ ngược giúp xác định nồng độ NaOH.
- Hiểu lý do phải đun hoàn lưu hỗn hợp phản ứng.
II. GIỚI THIỆU
Phản ứng giữa ester acetate ethyl và NaOH xảy ra như sau:
CH3COOC2H5 + NaOH  CH3COONa + C2H5OH
t=0

a

b

0

0

t

a–x

b–x

x

x

Với: a, b là nồng độ đầu của ester và NaOH.
(a – x), (b – x) là nồng độ của ester và NaOH ở thời điểm t.
Đây là phản ứng bậc 2, biểu thức hằng số tốc độ phản ứng có dạng:
1

�(�−�)

kt = �−� ln �(�−�) (*)

Gọi no, nt, �∞ là thể tích NaOH trong dung dịch phản ứng tại thời điểm t

= 0, t và t = ∞ (phản ứng hoàn toàn ở �∞ ).


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

Nồng độ NaOH ở các thời điểm sẽ tỉ lệ với thể tích đó. Cịn nồng độ ester ở thời
điểm đầu (t=0) và thời điểm t sẽ tỷ lệ tương ứng với (n0 - �∞ ) và (nt - �∞ ).
Do đó: C0 = b = A.n0

C0 ester = a = A.(n0 -�∞ )
Ct = b – x = A.nt

Ct ester = a – x = A [(n0 - �∞ ) – (n0 – nt)] = A(nt - �∞ )

Với: A – hằng số tỉ lệ.

Thay các giá trị trên vào phương trình (*), ta có:
1

kt = � �

� −�∞

1

−�.��

ln

� � −�

�.�� .�(�� −�∞ )
�.�� .�(��−�∞ )

� �
∞
kt = −�� ln ��(�
−� )

1

∞

�

kt = �� ln
∞

∞

�� (�� −�∞ )
�� (�� −�∞ )

(**)

Tìm hằng số A trong biểu thức (**):
Dung dịch NaOH có nồng độ đương lượng 1/100 (N), Vậy số đương
lượng NaOH có trong n0 (mL) dung dịch NaOH 1/100 (N) hay trong 25 mL
dung dịch hỗn hợp phản ứng là:
1
no
×
× số đương lượng
100
1000

Nồng độ đương lượng NaOH trong 25 mL hỗn hợp phản ứng (mẫu thử) sẽ là:
1

C0 NaOH = 100 ×

no

1000

Mà C0 NaOH = A.n0.

×

1000
25

=

no

2500

1

Suy ra: A = 2500


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ của phản ứng



Phương trình Arrhénius mơ tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ:
�

k = k0�−��

Với: k0 – thừa số tần số hay thừa số Arrhénius, không phụ thuộc vào nhiệt độ
E – năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Lấy logarit hai vế: lnk = lnk0 –

�

��

Như vậy, đường biểu diễn lnk = f(1/T) là đường thẳng có độ dốc -E/R
Gọi k1, k2 là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T1, T2, khi đó:
�

ln �2 = −
1

�

1

� �2

−

1

�1

(***)

Dựa vào (***) ta có thể tìm được năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi

biết hằng số tốc độ của phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau.
 Ý nghĩa năng lượng hoạt hóa
Theo Arrhénius, chỉ có những phân tử nào có năng lượng dư tối thiểu so
với năng lượng trung bình của phân tử thì mới có khả năng phản ứng hiệu quả.
Năng lượng đó gọi là năng lượng hoạt hóa.
Nói cách khác, năng lượng hoạt hóa là phần năng lượng dư của mỗi phân
tử cần có để lúc phản ứng dần đến biến hóa hóa học.


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

III. THỰC NGHIỆM
a. Hóa chất và dụng cụ:
Bảng 1. Hóa chất và dụng cụ

Dụng cụ

Số lượng

Hóa chất

Erlen nút nhám 500 mL

03

CH3COOH 1/200 (M)

Erlen 250mL

06

NaOH 1/100 (M)

Becher 100mL

02

HCl 1/100 (M)

Nhiệt kế 100oC

01

Phenolphtalein 1% (w/v)

Eprouvette 250mL

02

trong ethanol 95%

Pipette 25mL

02

Burette 25mL

02

Ống ngưng hơi bầu

01

Quả bóp cao su

01

Bình xịt nước cất

01

Bể điều nhiệt

02


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

b. Qui trình thí nghiệm:
Nhiệt độ phịng T1
Dùng ống đong cho vào 2 erlen
500mL
Đậy nút kín
150mL dd

150mL ester

NaOH 1/100

1/200 M

Cho vào 6 erlen khác
nhau 12.5 mL dd HCl
1/100 M

M

Đổ nhanh dd NaOH vào ester,
đậy nắp lắc mạnh.

Đọc nhiệt độ T1

- Ghi thời điểm t = 0

Sau 5, 10, 20, 30, 40, 50
phút dùng pipette hút
25mL hỗn hợp vào erlen

- Nhúng nhiệt kế sạch
vào dung dịch

Chuẩn độ bằng dd NaOH 1/100 M hỗn
hợp 6 erlen trên + 2 giọt phenolphtalein

Sau phút 50, đun hồn lưu cách thủy
hỗn hợp cịn lại ở 70oC (30 phút), để
nguội, chuẩn độ như trên

- Tránh chuẩn độ thừa, ở điểm tương đương
đạt màu hồng nhạt bền trong khoảng 30s.

- 70oC phản ứng xảy ra nhanh  phản ứng
hoàn tất (chuẩn độ NaOH t = ∞


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

 Nhiệt độ bể điều nhiệt T2
Lượng dd như trên, ngâm 2 bình đựng NaOH và ester trong bể điều nhiệt ở
nhiệt độ khoảng 38 – 45oC (ghi nhiệt độ chính xác T2) ít nhất 20 phút.
Tiến hành thí nghiệm như trên.
IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
a. Kết quả thơ:
Bảng 3. Thể tích NaOH dùng để chuẩn độ HCl thừa

Thời điểm (phút)

Nhiệt
độ

5

10

20

30

40

50

T1

2,45

2,9

3,5

4,00

4,15

4,35

5,40

T2

2,65

3,15

3,75

4,55

5,00

5,45

7,15

∞


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

b. Kết quả sau xử lí:
Bảng 2. Xử lý số liệu kết quả

Nhiệt độ

Thời điểm

VNaOH chuẩn

VNaOH có trong

K

độ dư HCl

25mL mẫu thử

(s.mol/l)-1

(mL)

T1 = 32oC

0

0,00

5

2,45

10,05

0,4536

10

2,90

9,60

0,2970

20

3,50

9,00

0,2101

30

4,00

8,50

0,1886

40

4,15

8,35

0,1555

50

4,35

8,15

0,1420

∞

5,40

7,10

0,2411

0

T2 = 45oC

0,00

12,50

12,50

5

2,65

9,85

0,3965

10

3,15

9,35

0,2587

20

3,75

8,75

0,1748

30

4,55

7,95

0,1739

40

5,00

7,50

0,1659

50

5,35

7,15

0,1630

∞

6,30

6,0

0,2221


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

 Tính k trung bình ở mỗi nhiệt độ:
ktb1 = (0,4536 + 0,2970 + 0,2101 + 0,1886 + 0,1555 + 0,1420)/6 = 0,2411
ktb2 = (0,3965 + 0,2587 + 0,1748 + 0,1739 + 0,1659 + 0,1630)/6 = 0,2221
 Tính kT1 và kT2 bằng phương pháp bình phương cực tiểu:
kt =

1

��∞

��

�� (�0 −�∞ )
�0 (�� −�∞ )
�

(**)

 ��∞ �� = ln(� −�� ) + ln(
�

�

∞

�0 −�∞

 ln(� −�� ) = ��∞ �� + ln(�
�

∞

y = ax + b

�0

�0

)

0 −�∞

)


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

Tại T= 305 K :
t (s)
�

�
y=ln(� −�
)
�

∞

0

300

600

1200

1800

2400

3000

0,8393

1,226

1,345

1,555

1,803

1,899

2,049

Hình 1. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc k theo thời gian (s) tại 305K

��∞ � = 0,000365453

=> k = 0,000365453/( ��∞ ) = 0,000365453*2500/7,10 = 0,1287


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

Tại T= 318 K :
t (s)
�

0

300

�
y=ln(� −�
) 0,6539 0.9394
�

∞

600

1200

1800

2400

3000

1,026

1,157

1,405

1,609

1,827

Hình 2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc k theo thời gian (s) tại 318K

��∞ � = 0,000359519

=> k = 0,000359519/( ��∞ ) = 0,000359519*2500/6,00 = 0,1498
 Tính năng lượng hoạt hóa E của phản ứng
Gọi k1, k2 là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ T1, T2, khi đó:

�1 = 305 K
�2 = 318 K

��

�
��
� �
−
= −
��
� ��
��


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

Năng lượng hoạt hóa theo hằng số tốc độ phản ứng bằng phương pháp trung
bình là :
ln

�
1
1
0,2221
= −
.
−
0,2411

8,314 318
305
=> E = -5091,58 (J)

Năng lượng hoạt hóa theo hằng số tốc độ phản ứng bằng phương pháp bình
phương cực tiểu là :
ln

�
1
1
0,1498
= −
.
−
8,314 318
0,1287
305
=> E = 1,69.10-4 (J)

c. Nhận xét kết quả:
- Dùng phương pháp đồ thị kết quả K và E được chính xác dựa vào R2
- Kết quả k ở phương pháp đồ thị cho R2 > 0.9 => Phản ứng este hóa dung
dịch kiềm là phản ứng bậc 2.
- Khi tăng nhiệt độ, k tăng nên vận tốc phản ứng tăng.
- K phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của phản ứng.
IV. TRẢ LỜI CÂU HỎI
1. Giải thích cơ chế chuẩn độ ngược dùng trong thí nghiệm trên.
Lấy chính xác hoặc dư dung dịch chuẩn HCl, vào dung dịch chất định phân
(dung dịch hỗn hợp gồm NaOH + ester). Sau đó chuẩn độ lượng dung dịch HCl

dư bằng thuốc thử là NaOH. Dựa vào thể tích và nồng độ các dung dịch HCl và
NaOH tìm được hàm lượng ester hay nồng độ của NaOH: Vester . Nester = VHCl .
NHCl – VNaOH . NNaOH


Nhóm 8_2020-2021_NTP-HKX

2. Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa của phản ứng phụ thuộc
vào yếu tố nào về mặt lý thuyết.
Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa phụ thuộc vào nhiệt độ.
3. So sánh giá trị hằng số tốc độ phản ứng k tại các nhiệt độ khác nhau và
giải thích nguyên nhân khác biệt.
Hằng số tốc độ phản ứng k tại các nhiệt độ khác nhau là khác nhau. Vì hằng
số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì hằng số tốc độ phản ứng
càng lớn và ngược lại.
4. Nêu các sai số có thể ảnh hưởng đến kết quả đo trong bài thí nghiệm trên.
- Do sai số trong q trình tiến hành thực hiện thí nghiệm như: cân, đo đạc,
pha chế hóa chất, các thao tác thực hiện thí nghiệm và sai sót trong q trình
chuẩn độ,... dẫn đến sai số ảnh hưởng kết quả đo.
- Do hóa chất khơng được tinh khiết, thuốc thử NaOH khơng được chuẩn
xác vì khơng chuẩn lại với dung dịch gốc.
- Sai số do dụng cụ đo.
- Do các yếu tố tự nhiên của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất.