METALLURGY-FSRIAU
themeviews.ir
نام آزمایش : تعیین ثابت تعادل واکنش استری شدن

هدف : می خواهیم از طریق این آزمایش ثابت کنیم با توجه به اینکه ثابت تعادل ، مستقل از مسیر طی شده برای انجام آزمایش است و واکنش استری شدن را هم از طرف مواد اولیه و هم از طرف محصولات می توان بررسی کرد .

ابزار و مواد لازم : بطری ( 4 عدد ) ، سود 1مولار ، اسید کلریدریک 3 نرمال ، اتانول ، استیک اسید  ، اتیل استات ، آب مقطر ، شناساگر فنل فتالئین

تئوری :

تعادل های شیمیایی :
در یک دید کلی ، تمام فرآیندها برگشت پذیر میباشند ، یعنی در هر دو جهت توانایی انجام فرآیند وجود دارد . ولی اینکه میزان این توانایی در کدام سمت چقدر باشد تعیین کننده است . چون فرآیند در دو جهت میتواند برقرار باشد پس همواره سیستم بعد از شروع به انجام یک فرآیند ، در نهایت به حالتی میرسد که این توانایی در هر دو سمت برابر شده و سیستم به یک حالت تعادل برسد.
تعادل در لغت به معنی عدم تغییر و تحول میباشد و سیستمی که در حالت تعادل قرار دارد ، تغییر و تحولی در خواص آن مشاهده نمیشود . با اینکه تحول همچنان وجود دارد ولی چون در هر دو جهت میباشد ، بنابراین تغییر کلی وجود نخواهد داشت و بعبارت دیگر تعادل شیمیایی ، یک حالت پویا میباشد .
برای مثال تعادل زیر را در نظر می گیریم:
 
ثابت تعادل برای واکنش تعادلی فوق چنین خواهد بود:
 
برای واکنش های همگن در فاز مایع ، به جای فشار میتوان از غلظت اجزای شرکت کننده در واکنش استفاده کرد .
 

 
ثابت بودن نسبت ، میتواند معیاری از پیشرفت واکنش باشد چرا که تغییرات غلظت های اجزا در حال تعادل ، و تغییر   نشان دهنده ی این است که در حال تعادل میزان مواد اولیه زیاد است یا مواد محصول . با پی بردن به این مطلب میتوان در مورد پیشرفت واکنش نظر داد . ثابت   را ثابت تعادل واکنش می نامند . مقدار  وابسته به دما بودند با تغییر دما ، تغییر میکند .

انرژی آزاد گیبس و تعادل:
برای شروع این بررسی ، واکنش فرضی زیر را در نظر می گیریم .
 
برای چنین واکنشی تغییرات انرژی آزاد گیبس بصورت زیر خواهد بود:

 
برای یک سیستم در حال تعادل ، در دما و فشار ثابت   می باشد . بنابراین می توان رابطه ی فوق چنین باز آرایی کرد :

 


مفهوم استری شدن :
واکنش یک الکل با اسید کربوکسیلیک ( اسید آلی ) را که منجر به تولید ترکیبی به نام استر می‌شود، استری شدن می‌نامند. واکنش استری شدن ، واکنشی است تعادلی که در حضور مقادیر کم اسیدهای معدنی انجام می‌شود و با تولید آب همراه است.

خواص استر ها :
استرها ترکیبهایی با فرمول کلی R-CO-OH می‌باشند. استر ، بمعنی اتر اسید است که گاهی به جای آن واژه اتوسل بمعنی نمک فرار را بکار می‌برند. استرها غالبا فرار و معطرند وبوی خوشایند بسیاری از گلها و میوه‌ها ، بعلت وجود استر در آنهاست.  استرها در واقع يكي از مشتقات كربوكسيليك اسيدها هستند که هرگاه به جاي اتم هيدروژن در گروه كربوكسيل يك گروه آليكل قرار گيرد،‌ استر به وجود مي‌آيد.


 






واکنش استری شدن :


 
اولین و قدیمی‌ترین روش سنتز استرها ، واکنش اسیدهای آلی با الکل‌ها در حضور اسید معدنی معمولا اسید سولفوریک) بعنوان کاتالیزور ) می‌باشد. با این روش ، می‌توان خیلی از استرها را بطور مستقیم سنتز نمود که این روش را واکنش فیشر  می‌نامند . روشهای دیگری نیز برای تولید استر وجود دارد. برای نمونه ، الکلها و آلکانها با کلرواسیدها واکنش می‌دهند و استر مربوطه را تولید می نمایند و یا نمکهای دی آزونیوم ، اسیدهای کربوکسیلی را به استرهای مربوطه تبدیل می کنند.


عوامل موثر بر واکنشی تعادلی استری شدن
اثر دما : بطور کلی ، افزایش دما ، سیستم های در حال تعادل را در جهت واکنش گرماگیر و کاهش دما ، آن را در جهت واکنش گرمازا جابجا می‌کند ( طبق اصل لوشاتلیه ).  از آنجایی که واکنش استری شدن ، با تغییر دمای محسوسی همراه نیست از این رو افزایش یا کاهش دما در جابجایی تعادل استری شدن تاثیر قابل توجهی ندارد . ولی با توجه به اینکه افزایش دما ، سرعت واکنش را در هر دو جهت زیاد می‌کند، از این رو ، زمان رسیدن به حالت تعادل را کاهش می‌دهد و به بیان دیگر ، سیستم را زودتر به حالت تعادل می‌رساند.
اثر غلظت : با توجه به اصل لوشاتلیه ، چون افزایش غلظت هر یک از مواد موجود ، در حالت تعادل ، موجب جابجا شدن تعادل در جهت مصرف شدن آن ماده می‌شود، از این رو ، افزایش غلظت اسید یا الکل یا هر دوی آنها در حالت تعادل ، واکنش را در جهت تشکیل استر جابجا می‌کند. در قابل ، افزایش آب ، تعادل را در جهت مصرف شدن استر پیش می‌برد. با استفاده از رابطه ثابت تعادل K ، می‌توان مقدار هر یک از مواد را در حالت تعادل محاسبه کرد.
اثر کاتالیزور : همانطور که گفته شد، واکنش استری شدن بسیار کند است. با افزایش دما یا افزودن مقدار کمی اسید معدنی که تولید  زیادی می‌نماید، سرعت استری شدن را می‌توان افزایش داد. از آنجایی که کاتالیزور ، سرعت واکنشهای مستقیم و معکوس را به یک اندازه تغییر می‌دهد، وجود   در جابجا کردن تعادل تاثیری ندارد، اما زمان رسیدن به تعال را کوتاهتر می‌کند.
* موادی که ما در این آزمایش از آنها استفاده می کنیم عبارتند از : اسید کلرید ریک ، اتانول ، استیک اسید و اتیل استات که به برخی از خواص آنها در زیر اشاره شده است .
اتانول :
اتانول یا الکل اتیلیک یا اتیل الکل با فرمول   ترکیب شیمیائی بی بو و آتشگیری است که در نوشیدنی‌های الکلی وجود دارد. این الکل همان ماده ای است که خاصیت مست کنندگی دارد و در نوشیدنی های الکلی با درصد های مختلف پیدا می‌شود. علاوه بر این در صنایع مختلف کاربرد فراوان دارند. این کاربردها در عطرها و ادکلن‌ها و همچنین در وانیل و همچنین به عنوان سوخت در برخی ماشین های جدید می‌باشد . گرانروی آن ، مانند آب است و بوی نسبتا تندی دارد. در صنعت بعنوان حلال و ماده واسطه شیمیایی برای تولید بیشتر ترکیبات آلی استفاده می‌شود. بدلیل تشکیل پیوند هیدروژنی با هر نسبتی در آب حل می‌شود. اتانول در مقایسه با ترکیبات آلی که وزن مولکولی یکسانی با آن دارند، نقطه جوش بالاتری دارد.

 
مدل مولکولی اتانول :





 
نام آیوپاک   نام های دیگر   فرمول    وزن مولکولی   نقطه ی جوش   نقطه ی ذوب           
اتانول   اتیل الکل ، الکل اتیلیک                      


استیک اسید :
اسید استیک جز اسیدهای کربوکسیلیک می‌باشد و در نامگذاری آیوپاک به اسید اتانوئیک معروف است. این اسید دارای فرمول شیمیایی   می‌باشد و در قسمت چشایی طعم ترشی ، شبیه طعم سرکه می‌دهد. اسید استیک بطور طبیعی از میوه‌ها و برخی مواد غذایی فاسد شده از فرایند تخمیر تولید می‌شوند و از قدیمی‌ترین ترکیبات شیمیایی شناخته شده توسط انسان می‌باشد.
اسید استیک خالص ، مایعی بیرنگ با بویی تیز ، مایعی خورنده و قابل اشتعال می‌باشد. این اسید در 16.6 درجه سانتیگراد منجمد می‌شود. به این دلیل و همچنین ظاهر یخ مانند آن به نام اسید استیک گلاسیال معروف است. اسید استیک در محلول‌های آبی می‌تواند تفکیک شده و یون استات تولید کند PH آن برابر با 4.8 می‌باشد، یعنی در   نیمی از مولکول‌های اسید استیک در محلول آبی به صورت یون استات هستند. اسید استیک در حالت بخار شامل دیمرهایی از دو مولکول اسید استیک می‌باشد که با پیوند هیدروژنی با یکدیگر ارتباط دارند. این اسید در اثر حرارت تا دماهای بالاتر از  تجزیه شده و تولید   و متان می‌کند.

ساختار استیک اسید :

 


 
نام   اسید استیک      
نام آیوپاک   متان کربوکسیلیک اسید و اتانوئیکاسید      
وزن مولکولی   60.05gr/mol      
نقطه ی ذوب   16.5Cْ      
نقطه ی جوش   118.1Cْ      
دانسیته   1.05gr/cm3   









اتیل استات :
اتیل استات مایعی بی رنگ – فرار و آتشگیر است که بوی مطبوعی دارد.در آب محلول است و حلالیت آن با افزایش دما کاه می یابد. همچنین با الکل ، استن ، کلروفرم و اتر قابل اختلاط است.  از اتیل استات در فرمولاسیون مرکب های چاپ ، چسب ، لاک ها ، پاک کننده ها ، عطرها ، خوشبوکننده ها ورنیهای الکلی و به مقدار زیادی استفاده می شود.
اتیل استات حلال نیترات سلولز است که در ساخت محصولاتی از جمله چرم مصنوعی ، مرکب ، سیمان و فیلم عکاسی استفاده می شود. و جهت استخراج کامفور ، روغنها ، چربیها ، آنتی بیوتیکها ، رزین ها و صمغ های مختلف مناسب می باشد. همچنین در بازیابی اسید استیک از محلولهای رقیق آبی مفید بوده و حلال مناسبی برای پلیمریزاسیون آکریلات می باشد.

شرح آزمایش :
ما در این آزمایش می خواهیم ثابت کنیم که کمیت ثابت تعادل ، مستقل از مسیر یا مکانیسم واکنش می باشد . به همین دلیل آزمایش استری شدن را یک یک واکنش کند و تعادلی است را انتخاب کرده ایم و 4 آزمایش مختلف را که هر کدام از جهات مختلف شروع میشود را انجام می دهیم ( واکنش استری شدن را هم از طرف مواد اولیه و هم از طرف محصولات بررسی می کنیم ) .
واکنشی را که انجام می دهیم به ترتیب زیر است :

 
ثابت تعادل فوق عبارت است از :

 

برای شروع آزمایش ، ابتدا   از محلول   را بوسیله سود تیتر می کنیم و حجم مصرفی سود را یادداشت می کنیم . در ادامه ، محتویات هر بطری را به ترتیب توسط سود تیتر می کنیم و حجم مصرفی از سود برای هر بطری را یادداشت می کنیم . اگر در بطری اول ، حجم سود بدست آمده از تیتراژ را از حجم سود مصرفی برای اسید خالص کم کنیم در اینصورت ، حجم سود لازم برای خنثی سازی استیک اسید بدست می آید که می توان از روی آن  تعداد مول های استیک اسید را محاسبه کرد .
حال از روی تعداد مول های استیک اسید اولیه و در حال تعادل ، می توان تعداد مول های آب و استر تولید شده و اتانول را نیز محاسبه کرده و در نهایت ثابت تعادل را بدست آورد .








داده ها و محاسبات :
قبل از شروع آزمایش باید به این نکته توجه کرد که ، ما در هر آزمایش به دلیل استفاده از   مقداری آب را قبل از شروع آزمایش وارد محیط عمل می کنیم که می توان این مقدار را با در دست داشتن دانسیته و غلظت و حجم   بدست آورد .
 
 

یعنی در هر آزمایش این مقدار آب به همراه   وارد محیط میشود ، قبل از این که واکنش اصلی شروع شود .
آزمایش در چهار نوبت انجام می شود و محتویات اولیه هر بطری بر حسب مول در جدول زیر خلاصه شده است ، همچنین حجم سود مصرفی برای خنثی سازی استیک اسید ، بعد از کم کردن سود لازم برای اسید هیدروکلریک از سود مصرفی کل در جدول آورده شده است (سود مصرفی برای اسید هیدروکلریک 15.4 میلی لیتر می باشد) :

 
سود مصرفی                   بطری      
37.2   0.261   -   0.043   0.05   1      
20   0.431   0.022   -   -   2      
44.6   0.261   0.045   -   0.016   3      
27.1   0.261   0.045   0.022   -   4   

بطری اول :
 
برای خنثی کردن   مول استیک اسید مقدار37.2 میلی لیتر سود یک مولار مصرف شده است که می توان مول دو گونه را برابر قرار داد (چون نسبت استوکیومتری یک به یک می باشد) و مقدار استیک اسید را در تعادل بدست آورد :

 
بطری دوم :

 
برای خنثی کردن   مول استیک اسید مقدار 20 میلی لیتر سود یک مولار مصرف شده است ، مقدار استیک اسید را در تعادل بدست می آوریم :
 

بطری سوم :
 
برای خنثی کردن   مول استیک اسید مقدار 44.8 میلی لیتر سود یک مولار مصرف شده است :
 

بطری چهارم :
 
برای خنثی کردن   مول استیک اسید مقدار 27.1 میلی لیتر سود یک مولار مصرف شده  است :

 

مشاهده می کنیم مقادیر   ، نزدیک به هم بوده و نشانگر عدم تأثیر غلظت اولیه مواد واکنشگر در مقدار ثابت تعادل می باشد .
* خطاهایی که ممکن است در این آزمایش اختلال ایجاد کند عبارتند از :
الف ) خطای توزین
ب) فراریت مواد
ج) وجود ناخالصی و خشک نبودن بطری ها
د) کم بودن سرعت عمل در تیتراسیون : با توجه به این که واکنش تعادلی است ، خنثی کردن استیک اسید می تواند موجب جابجایی تعادل شود و غلظت های دقیق لحظه ی تعادل به راحتی بدست نیاید .
ه) خطای شناساگر
نوشته شده توسط رسول کرمی در شنبه بیست و سوم بهمن 1389

.: Weblog Themes By themeviews.ir :.