CSTR 결과

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CSTR 결과에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 제목
실험 목적
3. 실험이론
4. 실험방법5. 실험결과6. 고찰

본문내용

1. 실험 제목 : CSTR을 이용한 Ethyl acetate와 NaOH의 비누화 반응 (Saponification reaction)에서의 반응속도 측정
2. 실험 목적 : Ethyl acetate와 NaOH의 액상 비누화 반응 (Saponification reaction)을 통해서 해당 반응 속도식의 속도상수(k)와 전체 반응차수(n)를 계산하는 방법을 알 수 있다. 또한 활성화 에너지를 계산할 수 있다.
3. 실험이론
- 이번 실험에서 반응식은 CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa +C2H5OH 이다. 아세트산 에틸과 수산화나트륨을 반응시켜, 아세트산 나트륨과 에탄올이 만들어진다.
반응물인 CH3COOC2H5, : B, NaOH : A 라 하고, 생성물인 CH3COONa : S C2H5OH : D 라 하면 위의 반응은 B + A → S + D 로 간략하게 나타낼 수 있다.
이 때, 반응물 A 기준으로, 반응 전체의 mole balance를 세울 수 있다. 이번 실험은 CSTR 반응기를 사용하였으므로,
input (I) – output (O) – decay(D) = accumulation(A) 으로 나타낼 수 있다.
Mole balance의 단위를 [mol/시간] 이고, 따라서, FA0 - FA - = 이다.
이 때, FA0,= CA0νA0 , FA = CA(νA0+ νB0) 이고, 실험에서 반응 부피 V는 일정하므로, = -rAV
이고, 이번 실험은 실험을 간단하게 하기 위해 정상상태로 간주하였으므로, = 0 이다. 이를 다시 정리 하면 다음과 같다.
CA0νA0- CA(νA0+ νB0)= -rAV
위의 식을 반응속도 rA에 대하여 정리하면 다음과 같다.
rA=
위의 식의 우변에서, 반응 후의 NaOH의 농도인 CA를 제외한 모든 값들은 이미 알고 있는 값이므로, CA를 알면 반응속도 rA 를 구할 수 있다. 이 때, CA는 NaOH가 염기이므로, HCl과 산 염기 적정반응을 통하여 구할 수 있다. 산 염기 적정반응에 관련된 식은 다음과 같다. 이를 희석 공식이라고 한다.
N(HCl)V(HCl) = N’(NaOH)V’(NaOH)
이 때, N과 N’는 노르말 농도를 뜻하는데, HCl 과 NaOH는 1N(노르말 농도) = 1M(몰 농도) 이므로, M(HCl)V(HCl) = M’(NaOH)V’(NaOH) 가 성립한다.
노르말농도는 규정농도, 또는 당량 농도라고 한다. 노르말농도는 몰농도에 당량을 곱해준 것이다. 당량은 쉽게 얘기하면, 수소원자 1개와 치환될 수 있는 양을 말하는데, HCl의 경우, 해리되면, HCl → H+ + Cl- 가 되어, 염산 1몰(개)로부터 수소이온이 1몰(개)가 생성되므로, 1당량이다. 즉, 노르말농도와 몰농도가 같다.
NaOH의 경우, 해리되면, NaOH → Na+ + OH- 가 된다. 수산화나트륨 1몰(개)로부터 수산화이온이 1몰(개)가 생성되므로, HCl과 마찬가지로 노르말농도와 몰농도가 같다.
M(HCl) 은 미리 1M으로 제조해 놓았고, V’(NaOH 은 20mL, V(HCl) 은 뷰렛의 눈금을 읽어 확인할 수 있어, 즉, M’(NaOH) 를 구할 수 있다. 즉 CA를 구하게 된다. 따라서 rA값을 CA값에 대하여 얻게 된다.

- 위의 반응을 n차 반응이라고 가정하고, 반응물 A만 반응속도에 영향을 준다고 가정하고, 반응속도 상수를 k라고 하면, 반응속도 -rA에 대하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. -rA = kCAn 이다. 양변에 자연로그를 취하면, ln(-rA) = lnk+nlnCA 이다.
이 식을 y축을 ln(-rA), x축을 lnCA로 하는 y=Ax + B 의 그래프로 그리면, y절편으로 lnk, 기울기로 n을 구할 수 있게 된다. 즉, 반응속도 상수 K 와 반응 차수 n을 구할 수 있다. 이 때, 그래프를 그리기 위해서는 두 점이 필요하므로, 실험 시 NaOH의 유량을 바꾸어 두 번 실험한다.
- 아레니우스 식은 k = k0e-Ea/RT 이다. 이 식의 양변에 자연로그를 취하면 다음과 같다.
lnk = lnk0 - Ea/RT
따라서, y축을 lnk, x축을 1/T로하는 y=Ax + B형태의 그래프를 그리면, 기울기가 -Ea/R, y절편값을 lnk0을 구할 수 있다. 이 때도, 그래프를 그리기 위해서는 두 점이 필요하므로, 다른 조의 실험온도를 달리한 데이터 값을 얻어 결과를 얻는다.

4. 실험방법
① 이번 실험에서 반응물인 CH3COOC2H5 와 NaOH용액을 각각 11L의 용기에 1M이 되도록 준비한다. 이번 실험에 쓰인 CH3COOC2H5은 99wt%이므로, 다음과 같은 계산과정을 통하여 필요한 CH3COOC2H5질량을 구할 수 있다. CH3COOC2H5 의 몰질량은 88.11g/mol이다. = 97.9g 이다.
NaOH의 경우, 이번 실험에서 98wt%을 사용하였으므로, NaOH의 몰질량은 40g/mol 이다. = 44.89g 이다.
② 수돗물을 먼저 CH3COOC2H5 와 NaOH 탱크에 각각 10L 씩 채우고, NaOH의 경우는 전자저울로 고체의 NaOH를 44.89g 측정한 뒤 물 500mL에 넣고 충분히 녹을 때까지 교반 한 후, 나머지 500mL을 더 채워 탱크에 넣는다. 교반 시 마그네틱 바를 넣고, 온도를 높여 잘 섞이게 해준다. CH3COOC2H5 의 경우, 액체이므로, 비커에 97.9g을 넣은 후 1L가 되도록 수돗물을 넣어준 뒤, 탱크에 넣었다.
③ CSTR 실험 장치의 스위치를

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CSTR,   반응공학,   반응기,   화학공학,   공업화학