电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数的一种数据处理方法

第 29 卷第 4 期 2006 年 12 月 　　　　　 辽宁师范大学学报 (自然科学版) Journal of Liaoning Normal University (Natural Science Edition) 　　　　　 Vol. 29 　No. 4 Dec. 　2006 　　文章编号 :100021735 (2006) 0420511202 电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数的一种数据处理方法 玉占君 , 　张文伟 , 　任庆云 (辽宁师范大学 化学化工学院 ,辽宁 大连　116029)3 摘 　要 :以 Visual Basic 为开发工具 ,用最小二乘法直线拟合 ,对“电导法测定乙酸乙酯皂化反应速率常数”实验进行 数据处理 ,得到更科学的正确实验结果 ,打印出计算结果和图形. 关键词 :数据处理 ;物理化学实验 ;最小二乘法 ;Visual Basic 中图分类号 : TQ013 　　　文献标识码 :A 计算机辅助教学是教育领域中信息革命最有代性的产物. 它是以计算机为媒介 ,通过计算机软件与学生之间的交 互作用 ,从而呈现崭新的教学方式 [122 ] .在化学实验中计算机辅助教学工作起着重要的作用. 物理化学实验是高等院校化学及相关专业学生的一门独立基础实验课程 [324 ] .“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速 率常数”实验是物理化学实验教学的重要内容. 由于物理化学实验自身的特点 ,实验数据处理时 ,首先学生需对实验数据 进行大量计算 ,然后在直角坐标纸上作图 ,进而求得实验结果的数学表达式 .学生只根据坐图纸上的散点作直线 ,不可避 免引起误差 ,影响实验结果准确性. 采用最小二乘法直线拟合 ,可以避免作图所引起的误差 ,但因计算量太大 ,普通小型 计算器无法完成全部计算任务. 我们使用 Microsoft 公司的 Visual Basic[5 ]为开发工具 ,利用最小二乘法直线拟合 ,开发 了“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数”实验数据处理软件. 1 　实验原理和处理方法 乙酸乙酯皂化反应是一个二级反应 ,其反应式为 : CH3 COOC2 H5 + NaO H →CH3 COONa + C2 H5 O H 在反应过程中 ,各物质的浓度随时间而改变. 某一时刻碱的浓度可用酸进行滴定求得 ,也可通过测量溶液的某 些物理性质而得到.用电导率仪测定溶液的电导值 G随时间的变化关系 ,可以监测反应进程 ,进而可求算反应速率常数. 二级反应的速率与反应物的初始浓度有关. 反应物的初始浓度存在两种情况 :碱和酯浓度相等和不相等. (1) 如果反应物的初始浓度相同 (均为 c) ,推导出 G0 - Gt ( Gt - G∞) = ckt (1) 式中 G0 和 Gt 分别为溶液起始和 t 时的电导值 , G∞为反应终了时的电导值 , k 为反应速率常数值. 从直线方程式 (1) 可知 ,只要测出 G∞、G0 以及一组 Gt 值 ,利用 ( G0 - Gt ) / ( Gt - G∞)对 t 作图 ,应得一直线 ,由斜率 即可求得反应速率常数 k 值 , k 的单位为 min - 1 ·mol - 1 ·L . (2)如果反应物的初始浓度不相同 (碱或酯中浓度大者为 a ,碱或酯中浓度小者为 b) ,推导出 lg ab · G0 - G∞ Gt - G∞ - G0 - Gt Gt - G∞ = ( a - b) k 2. 303 - lg a b (2) 式中 G0 和 Gt 分别为溶液起始和 t 时的电导值 , G∞为反应终了时的电导值 , k 为反应速率常数值. 从直线方程式 (2)可知 ,只要测出 G∞、G0 以及一组 Gt 值 ,利用 lg ab · G0 - G∞ Gt - G∞ - G0 - Gt Gt - G∞ 对 t 作图 ,应得一直线 ,它 的斜率就等于 a - b2. 303 k , 由此可求得反应速率常数 k值 , k的单位为 min - 1 ·mol - 1 ·L. 测定出两个不同温度的反应速率常数 ,按阿仑尼乌斯公式可计算反应活化能. ln k2k1 = Ea R T2 - T1 T1 T2 式中 k1 , k2 分别为温度 T1 , T2 时测得的反应速率常数 , R 是摩尔气体常数 , Ea 为反应的活化能 [4 ] .3收稿日期 :2006204225 作者简介 :玉占君 (19602 ) ,女 ,河北安国人 ,辽宁师范大学副教授. 512　　 辽宁师范大学学报 (自然科学版) 第 29 卷 由于配制反应物的初始浓度相同的溶液比较麻烦 ,故实验中通常选择反应物的初始浓度不相同的情况. 2 　软件使用说明 下面以“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数”实验中碱和酯浓度不相等的情况为例 ,结合对话界面说明软件 的使用方法. 双击“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数”程序 ,进入输入数据界面窗口. 按顺序依次输入实验数据 ,如图 1 所示. 单击“计算”按钮 ,得到如附表所示的数据计算结果 ; 按“打印”按钮打印出计算结果见附表. 单击“数据”按钮 ,返回 数据输入界面窗口 (图 1) ;按“图形”按钮显示相应图形 ,如图 2 所示 ;按“打印”按钮打印出图形. 图 1 　输入数据后界面 附表 　电导法测定乙酸乙酯皂化反应的 速率常数实验数据处理结果 班组 :2000. 1 　学号 :01 　姓名 :范荫恒　日期 :2004201206 t = 25 ℃　a = 0. 020 626 mol/ L 　b = 0. 010 487 mol/ L G0 = 1130 s 　G∞= 508 s t ( i) / min G( i) / s y ( i) 1 1 100 0. 304 3 1 020 0. 337 5 960 0. 367 7 910 0. 397 9 870 0. 425 12 820 0. 466 16 760 0. 530 20 720 0. 584 25 680 0. 653 30 650 0. 719 　斜率 M = 0. 014 29 ;截距 B = 0. 295 4 ; 　相关系数 R = 0. 999 7 ; k = 6. 493 min - 1 ·mol - 1 ·L . 图 2 　乙酸乙酯皂化反应动力学曲线 3 　结论 用 Visual Basic 编程软件对“电导法测定乙酸乙酯皂化反应的速率常数” 实验数据进行处理 ,有效避免作图过程中产生的误差 ,保证了实验数据的真 实性 ,能够得到科学的实验结果 ,并为教师批改实验提供了可靠的依据. 参考文献 : [1 ] 　黄雪征 ,张常群. 连续反应动力学的计算及过程的计算机模拟[J ] . 计算机与应 用化学 ,2005 ,21 (3) :2112214. [ 2 ] 　郭翔 , 丛培盛 , 朱仲良 , 等. 化学动力学过程模拟软件的开发[J ] . 计算机与应用化学 ,2006 ,23 (6) : 5652568. [ 3 ] 　东北师范大学. 物理化学实验[ M ] . 2 版. 北京 :高等教育出版社 ,1989. [ 4 ] 　复旦大学. 物理化学实验[ M ] . 3 版. 北京 :高等教育出版社 ,2004. [ 5 ] 　刘炳文. 精通 Visual Basic 6. 0 中文版[ M] . 北京 :电子工业出版社 ,2000. A Method of Data Processing for Measuring the Rate Constant of Saponif ication of Ethyl Acetate with Electric Conductivity Instrument YU Zha n2j un , 　ZHAN G Wen2wei , 　R EN Qi ng2yun (School of Chemist ry and Chemical Engineering , Liaoning Normal University , Dalian 116029 , China) Abstract :We use Visual Basic and a least line fitting program by squares straight to compile this software for the experimental data of measuring the rate constant of saponification of ethyl acetate with electric conductivity instrument . More correct and scientific results including data and figures can be achieved. Key words : data p rocessing ; p hysical chemist ry experiment ; a least squares fit p rogram ; Visual Basic