(1)Amint a
(1)
reakcióegyenletből látható, a reakcióelegy elektromos vezetése jelentősen csökken a reakció előrehaladásával, ugyanis a nagy mozgékonyságú OH--ionok helyébe a lényegesen kisebb mozgékonyságú acetátionok lépnek. A reakció előrehaladását ennek alapján konduktometriásan követhetjük. Ha a két reagens kezdeti koncentrációja azonos ([A]0), akkor a folyamatot leíró integrált sebességi egyenlet
(2)
A kinetikai egyenlet levezetése, ha közvetlenül a koncentrációval arányos fizikai paramétert mérünk
A reakcióelegy elektromos vezetése (amit jelen leírásban Y-nal jelölünk) a rendszer valamennyi komponensének vezetéséből adódik össze. A reakcióelegy teljes (mérhető) vezetése így:
(3)
Bármely fizikai mennyiségre melynek nagysága arányos a komponensek [M] koncentrációjával tömör jelöléssel írhatjuk:
(4)
Az elektromos vezetésre vonatkozóan híg oldatokban ez az ionok független vándorlásának törvénye. Az oldószer és a Na+ vezetése nem változik a reakció során, ezért azt nem kell figyelembe vennünk. A többi kis értékénél fogva elhanyagolható az OH- és Ac- ionok vezetése mellett, így
(5)
ahol [Ac-]=[A]0-[A], zOH- és zAc- arányossági tényező.
A reakció kezdetén, azaz ha t=0 és [A]=[A]0, még nincs termék (YAc- = 0). Következésképp
(6)
A reakció teljes lezajlása után mért vezetés (már nincs kiindulási anyag, [A]=0)
(7)
(mivel ugyanannyi acetátion képződött, mint amennyi hidroxidion reakcóba lépett).
A reakció közben az oldat vezetése:
(8)
A fenti három egyenletből adódó kifejezések:
(9)
(10)
(11)
Az integrált sebességi egyenlet a következő alakban írható:
(12)
Ha az Y mennyiségekből készített, az egyenlet jobb oldalán álló
hányadost ábrázoljuk az idő (t) függvényében (ezt a mennyiséget jelöljük Z-vel) a kapott egyenes iránytangenséből k kiszámítható az [A]0 ismeretében:
(13)
Az egyenes meredeksége:
,
s ebből a sebességi állandó:
(14)
A (12) kinetikai egyenletből az is látható, hogy Y bármilyen, a koncentrációval arányos mennyiséget jelölhet, k kiszámításánál Y mértékegysége kiesik. Így, ha adott esetben a reakcióelegy vezetésének változását regisztráljuk az idő függvényében, Y a regisztrátumon mért hosszúságegységeket is jelölheti.
Az elszappanosítási reakció sebességi együtthatójának meghatározása legalább négy hőmérsékleten, a kapott sebességi együttható - hőmérséklet adatpárokból aktiválási energia számítása az Arrhenius-egyenlet alapján.
A mérés kivitelezése on-line számítógépes mérésadatgyűjtő rendszerrel történik amelynek a blokkvázlata a 1. ábrán látható.
Az egyes részek feladata:
Az 1. ábrán feltüntetett berendezéseken kívül a következő eszközök és vegyszerek szükségesek még:
1. ábra
Az acetátok elszappanosítási reakciójának kinetikai vizsgálatához
használt berendezés blokkvázlata
1. A mérőberendezés bekapcsolása a hálózati elosztóval. A termosztát, konduktométer, számítógép stb. hálózati kapcsolóit nem kell külön állítani, ezek mindig bekapcsolt állapotban vannak.
2. A dátum és az idő ellenőrzése, szükség esetén a helyes érték beállítása.
3. Indítsuk el a mérést vezérlő programot a METAC paranccsal! A program a mérés sorszámát 11-el, 21-el, 31-el és 41-el kezdi a mérőhelytől függően, hogy ne legyenek azonos fájlnevek a mérőhelyeken. A sorszámot a program az adatgyűjtésből visszatérve mindig emeli eggyel. Külön állítani csak valamilyen hiba esetén szükséges, pl. ha újra kell indítani a számítógépet. Amennyiben az adatfájl nem lesz értékelhető a sorszámot visszaállíthatjuk az előző értékre.
4. Állítsuk be a kívánt hőmérsékletet 20 ° C és 40 ° C között a termosztáton lévő skálázott potenciométerrel, vagy a kontakthőmérővel! Célszerű a 40 ° C felől indulni. A mérési hőmérsékletek lehetőleg egyenletesen fedjék le a 20 - 40 ° C intervallumot! A hűtés intenzitását úgy kell beállítani, hogy a fűtés ki-be kapcsolási időaránya kb. 50% legyen. Kontakthőmérővel vezérelt termosztát esetében ezt az időarányt 2-3 perc időtartamra kell vonatkoztatni. Az alacsonyabb hőmérsékletre való áttérésnél átmenetileg intenzívebb hűtést is alkalmazhatunk.
5. A konduktométer méréshatárának
beállítása 500 mS -re OK 102, illetve 1000 mS -re az OK 112 típusú konduktométer esetén. (Erre azért van
szükség, hogy a reagensek betöltése során a konduktométer ne vezérlődjön túl.)
6. A reakcióedénybe
mérjünk be 157 cm3 desztillált vizet és 43 cm3 0,3
mol/dm3 koncentrációjú NaOH-oldatot (a sorrend fontos)!
7. Indítsuk el a keverőt! Ez nagyon fontos a hőegyensúly beállásához.
8. Az OK 102 típusú konduktométer RANGE és CALIBRATION gombjaival. állítsunk be az A/D konverter kijelzőjén 900-950 mV vezetéssel arányos jelnagyságot. Az OK 112 típusú konduktométeren a RANGE és CALIBRATION gombokkal 0,80-0,85 mutatókitérést állitsunk be, majd a konduktométer feszültség kimenetére csatlakoztatott potenciométerrel (a készülék hátlapján található piros csavar) beállítunk az A/D konverter kijelzőjén 900-950 mV jelnagyságot.
A reakcióelegy hőmérsékletének változásával változik a vezetés, és így a vezetéssel arányos feszültség jel is. Ilyenkor állítsuk be újra a 900-950 mV jelnagyságot.
Amikor a termosztát már a kívánt hőmérsékletre szabályoz, még 10 - 12 percet várunk, ez alatt beáll a reakcióelegy hőegyensúlya.
9. A fecskendőbe szívjuk fel a metil-acetátot, és állítsuk be az 1 cm3 térfogatot (buborékmentesen!). Ezt megtehetjük a hőmérsékleti egyensúly beállása közben is!
10. A hőegyensúly beállása után olvassuk le a reakcióedényben lévő hőmérőt 0,1 oC-ra kerekítve.
11. Válasszuk a MÉRÉS menűpontot, és adjuk meg a reakcióelegy homérsékletét! Fontos, hogy a mérés valódi hőmérsékletét írjuk be, mert a program ez alapján számítja ki az adatgyűjtés időtartamát.
12. Amikor az adatgyűjtési idő meghaladta a 12 másodpercet, határozott mozdulattal fecskendezzük be a metil-acetátot a reakcióelegybe, közvetlenül a keverőlapátra, a folyadék felszine alá (semmi esetre sem a vezetési cellára, vagy távolról a folyadék felszínére).
13. Az adatgyűjtés időtartamát a program állapítja meg, csak szükség esetén állítsuk le a gyűjtést korábban (az "ESC" billentyű leütésével).
14. Az adatgyűjtés leállítása után kapcsoljuk ki a keverőt, majd vízlégszivattyúval távolítsuk el a reakcióedény tartalmát. A berendezés szétszerelése tilos!
15. További mérés(ek) esetén az eljárást ismételjük meg a 4. ponttól.
16. Amennyiben több mérést már nem végzünk, a reakcióedényt ki kell öblíteni desztillált vízzel, és üresen hagyni.
17. A mérések végeztével az adatfájlokat a C:\METAC.DAT könyvtárban találhatjuk meg. A fájlok neve tartalmazza az évszám utolsó két karakterét, a hónapot a napot és a mérés sorszámát, (pl. ha 2003. szeptember 23-án mértünk, akkor a 4. mérés adatait a 03092304.MAC nevű fájl tartalmazza).
18. A berendezést kapcsoljuk ki a hálózati elosztóval.
A gyakorlat végén a jegyzőkönyvben szerepelni kell:
- az egy mérőhelyen dolgozó hallgatók neve
- a mérési adatfájlok neve, az egyes mérések hőmérséklete
- az értékelendő adatfájlok neve (azoknál a hallgatóknál akik külön kapnak értékelendő adatokat, vagy nem tudtak legalább 4 hőmérsékleten mérni), az egyes mérések hőmérséklete
Minden hallgató külön adathalmazt értékel (5 hőmérsékleten), ezek vagy a gyakorlaton végzett mérések adatai, vagy régebbi mérések közül választjuk ki a gyakorlat során. Csak az egy mérőhelyen született adatok értékelhetők együtt.
A számítógép a begyűjtött adathalmazt ASCII fájlban tárolja. Az első négy sor tartalmazza a mérési körülményekre vonatkozó információkat. Az utána következő két adatoszlopból az első az idő, a második a vezetés. Az ORIGIN program Import ASCII file-ként beolvassa az adatokat.
vezetés–idő-grafikonok, valamennyi hőmérsékleten;