(5.4.7)--5基于MATLAB的乙酸乙酯皂化反_省略_测定实验的数据处理与图.pdf

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1、 基于基于 MATLAB 的乙酸乙酯皂化反应速率常数测定的乙酸乙酯皂化反应速率常数测定实验的数据处理与图形绘制研究实验的数据处理与图形绘制研究 摘 要设计了 Matlab 语言程序，并用于“乙酸乙酯皂化反应速率常数测定”的物理化学实验的数据处理与图形绘制，处理结果与所作的图形均符合实验要求。与手工作图相比,具有简洁、快捷与直观等特点，而且可避免人为因素的误差。关键词速率常数；皂化反应；MATLAB 软件 中图分类号O643.11；TP312 文献标识码B 文章编号1007-1865(2015)11-0069-02 Studies of Data Processing and Graphics

2、Drawing in Determination of Reaction Rate Constant of Ethyl acetate Saponification Based on MATLAB Abstract:Matlab programming is designed for the data processing and graphics drawing of“determination of reaction rate constant of ethyl acetate saponification reaction”in physical experiments,which sh

3、ows an excellent accordance with the experimental results.In comparison with the traditional methods,the present program has the characteristics of simple,quick and intuitive etc.In addition,the program also can sufficiently avoid human error factors.Keywords:rate constant of reaction；saponification

4、 reaction；MATLAB software 物理化学实验具有数据多、处理麻烦，手工作图，往往随意性强，人为因素引起误差大等问题。Matlab软件1-3提供了多种线性与非线性拟合手段，精确度高，编程语言简单易学，可视性强，接口实现方便，可以很好地进行自动化数据处理。采用Matlab语言进行编程来处理，可以避免许多人为因素引起的误差，且编程简单，计算结果与程序所作的图形均符合实验要求。本文以物理化学实验中“乙酸乙酯皂化反应速率常数测定”为例4,5，编写Matlab语言程序来实验数据处理和绘制图形，展示了Matlab 在物理化学实验数据处理和图形绘制中简洁、快捷与直观等特点。1 实验原理实验

5、原理 乙酸乙酯皂化反应是个典型的二级反应。设反应物起始浓度均为C0，经时间t后产物的浓度为x。该反应的速率方程为：20)(xCkdtdx=(1)积分(1)式得：0011cktxc+=(2)由(2)式可知，只要测出不同时间t时，反应物消耗的浓度x，然后以xc 01对t作图，由直线的斜率得到速率常数k。从皂化反应可看出一个特点：溶液中参与导电的离子只有OH-、Na+和 CH3COO-，随着反应进行，Na+浓度保持不变，OH-则不断减少，而 CH3COO-不断增多，由于 OH-的摩尔电导比CH3COO-离子的摩尔电导大得多，因此，随着反应的进行，溶液电导不断减少。大家知道，在很稀溶液中，每种强电解质

6、的电导率 L 与浓度成正比，浓度越大，电导率越大，而且溶液的总电导率等于溶液中各电解质电导率之和。所以，这个反应的浓度变化可通过电导率的变化测定来确定。设L0、Lt、L分别代表时间为0、t、时溶液的电导。在稀溶液下，乙酸乙酯皂化反应，在不同反应时刻，其电导率与浓度的关系如下：xxCLttCLtCLtt+=)(:00000时时时 (3)式中：、是与温度、溶剂、电解质NaOH及NaAc的性质有关的比例常数，在上述条件不变时、为常数；L0、L分别为反应开始和终了时溶液的总电导率；Lt表示时间t时溶液的总电导率。由(3)式得：000)(CLLLLxt=(4)将(4)式代入(2)得：+=LtLLkCLt

7、t001 (5)由(5)式可知，以tLLLtt0作图，得一直线，由斜率可求出反应速率常数 k。2 实验步骤实验步骤 2.1 L0的测定 用移液管量取20 mL 0.02 mol/L NaOH溶液和20 mL蒸馏水放于100 mL烧杯中，混均后倒入大试管中(盖上橡皮塞)。用DDS-11A型数字电导率仪测定上述已恒温的NaOH溶液的电导率L0。2.2 Lt的测定 在反应管的一边中加入20 mL 0.02 mol/L乙酸乙酯溶液(均盖上橡皮塞)，另一边加入20 mL 0.02 mol/L NaOH溶液，并把洗净的电导电极插入管中。恒温15分钟后，将两溶液混合，同时开启秒表，记录反应时间(注意秒表一经

8、打开切勿按停，直至全部实验结束)。从5 min开始计时，依次每递增5 min测定一次溶液的电导率，60 min后完成测定，记录电导率Lt及时间t。3 实验数据记录与实验数据处理实验数据记录与实验数据处理 3.1 实验数据记录 实验温度为 25；L0=1799 S/cm。收稿日期 2015-04-05 基金项目 湖南省应用化学重点建设学科(湘教发201176 号)；湘南稀贵金属化合物及其应用湖南省重点实验室资助(湘科函字201165 号)作者简介 李旭(1980-)，男，湖南郴州，实验师，硕士，研究方向为软件工程，现主要从事物理化学实验教学与管理工作。广 东 化 工 2015 年 第 11 期

9、70 第 42 卷总第 301期 表表 1 在不同时刻反应体系的电导率在不同时刻反应体系的电导率 Tab.1 The electrical conductivity of reaction system at different time t/min 5 10 15 20 25 30 40 50 60 Lt/(scm-1)1551 1404 1314 1218 1177 1115 1059 1002 975 3.2 设计 MATLAB 程序处理实验数据和绘制图形 根据(4)式设计 MATLAB 程序来处理实验数据和绘制图形，MATLAB 程序清单如下：t=5 10 15 20 25 30 40

10、 50 60；%输入时间 t，单位为 min Lt=1551 1404 1314 1218 1177 1115 1059 1002 975；%输入电导率 L，单位为Scm-1 L0=1799；%输入 t=0 时的电导率 L，单位为Scm-1 c=0.01*10000；%输入 t=0 时的浓度 t1=(L0-Lt)./t；p=polyfit(t1，Lt，1)；%线性拟合 Y=polyval(p，t1)；plot(t1，Lt，rx，t1，Y)；grid on xlabel(L0-Lt)/t/(S cm-1min-1)；ylabel(Lt/(S cm-1)；gtext(图 1 醋酸乙酯皂化反应的 L

11、t 对(L0-Lt)/t 的关系)；disp(运行结果：斜率为：，num2str(p(1)；fprintf(直线方程：Y=%0.5g*X+%0.5g，p(1)，p(2)；k=1/p(1)*c；disp(速率常数：k=，num2str(k)，(molL-1)-1min-1)；3.3 运行结果 在MATLAB 7.0环境下运行得到原始数据散点图形和直线拟合后的图形，然后对图形进行编辑，其方法是：点击 Figure 界面中主菜单 Edit 按钮，跳出一个对话框；然后点击 Figure Properties按钮，再用鼠标拖动图形和图题调整到相应位置；最后点击对话框中 Copy Figurer 按钮将图

12、形拷贝到 Word 文档中，如图 1 所示。运行结果：斜率为：16.406；直 线 方 程：Y=16.406*X+752.62或Lt=16.406*(L0-Lt)/t+752.62；速率常数：k=6.0953(mol L-1)-1 min-1。如图 1 所示。4 结论结论 MATLAB制作图形具有可靠性，有极强的可操作性，提高了实验效率，效果明显，它必将成为学生和教师的得力助手，在物理化学实验教学中具有很强的推广应用价值。1015202530354045509001000110012001300140015001600(L0-Lt)/t/(uS cm-1 min-1)Lt/(uS cm-1)图

13、图1 醋酸乙酯皂化反应的醋酸乙酯皂化反应的Lt对对(L0-Lt)/t的关系的关系 Fig.1 Lt-(L0-Lt)/t plots for ethyl acetate saponification 参考文献参考文献 1李旭，陈志刚MATLAB和Monte Carlo法在连续反应动力学中的应用J广州化工，2014，42(4)：54-57 2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)：211-214 3许国根，许萍萍化学化工中的数学方法及MATLAB实现M北京：化学工业出版社，2008：1-312 4李强国，刘文奇，肖圣雄，等基础化学实验M南京：南

14、京大学出版社，2012：294-296、313-316 5杨道武，曾巨澜，申少华，等基础化学实验(下)M武汉：华中科技大学出版社，2009：64-68、92-96 (本文文献格式：李旭基于MATLAB的乙酸乙酯皂化反应速率常数测定实验的数据处理与图形绘制研究J广东化工，2015，42(11)：69-70)(上接第 80 页)2.5 加热脱水温度对树脂交换基团的影响 由于合成骨架和基团的差异，强酸阳树脂的安全运行温度为105，阴树脂建议在 60 以下使用。虽然更换下来的核级树脂不再重复使用，基团的降解不会影响系统运行，但高温加热导致基团降解过程中会产生一些含 N 的气体，如氨气，考虑到加热脱水过

15、程的安全性，有必要了解不同温度下不同树脂基团降解的程度。对比 60 和 105 加热脱水的结果可以看出，阴树脂在105 下加热 12 小时就有接近 50%的交换基团完全脱落，且超过80%的季胺基团已经降解，但在 60 下加热脱水，阴树脂基团表现相对稳定，降解幅度小，在正常使用降解范围内，由此产生的挥发性气体相应也会大大减少。对于阳树脂，即使是 105 下加热，树脂骨架基团几乎没有明显改变。3 结论结论 本文通过不同工况下对树脂加热考察其脱水特性，结合脱水前后树脂相关重要性能指标分析，得出以下基本结论：温度和加热时间都对树脂脱水比例有明显影响，温度越高，树脂脱水速度也越快，105 下加热 12

16、个小时可以 100%去除树脂的内部结合水，各类树脂体积都减小到极限值。60 下加热 12个小时可以去除绝大部分离子结合水，树脂堆积体积也同比例缩小。但是加热温度过高，阴树脂在加热过程会快速降解。本研究还建立了通过树脂含水量预测树脂脱水后体积变化趋势的理论依据，树脂体积缩小的百分比和树脂含水量百分比基本一致，由此只要知道脱水树脂的组成和各树脂的含水量就可以准确预测树脂混合物干燥后的体积变化百分比。实际工程应用中根据树脂型号和体积可以准确预测干燥后减容比。实验用几种核级树脂脱水前后机械稳定性表现出了不同的特性，阴树脂和相对较低交联度的阳树脂脱水前后压碎强度没有变差，反而抗压能力有所增强。16%高交

17、联度的阳树脂脱水前相对于低交联度阳树脂抗压能力更好，但脱水后脆性增强，抗压能力最差，但依然能满足一般工业用对树脂机械强度的要求。实验用各种树脂脱水后抗渗透压能力基本不变，即使在极端工况下迅速吸水快速膨胀，也不会产生裂纹球和破碎球，不影响树脂输送的流动性。参考文献参考文献 1GB 9134-1988轻水堆核电厂放射性固体废物处理系统技术规定S 2SMG-5100-GEM-201厂址废物处理设施总说明书，SNERDI，2012 3周焱，张海峰核电站低中放废树脂热态超压处理技术应用探讨J原子能科学技术，2012，46(增刊)：142-146 4Amberlite IRN78/IRN77/IRN97/IRN99/IRN160 data sheet，树脂供货商资料 5Standard Test Methods for Physical and Chemical Properties of Particulate Ion-Exchange ResinsD，2187-94，11-17 (本文文献格式：朱来叶，何艳红，王鑫，等核级离子交换树脂加热脱水特性研究J广东化工，2015，42(11)：79-80)