基于色度傳感器探究乙酸乙酯的水解反應

紀政　吳峰

摘要：探究了基于色度傳感器的乙酸乙酯水解反應實驗，嘗試將實驗從定性層面上升到定量層面，發展成為乙酸乙酯水解反應的探究性和創新性實驗，希望能為傳感器技術應用于高中化學實驗教學提供一些借鑒和思考。

關鍵詞：色度傳感器;乙酸乙酯;水解反應;探究實驗

文章編號：1008-0546（2019）01-0089-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.01.028

魯科版《化學2（必修）》[1]中研究乙酸乙酯在不同酸堿度下的水解情況，通過聞乙酸乙酯氣味消失的時間判斷水解的快慢，香味消失的時間越短，水解反應速率越快。但是不同的人觀測時會存在一定的誤差，所以用觀察法誤差較大，只能作定性判斷。

利用色度傳感器，筆者嘗試將水層染色，通過觀測水層的透光率變化，可以精確反映乙酸乙酯在不同酸堿度時的水解情況。

一、實驗裝置與藥品

裝置：色度計傳感器、數據采集器、計算機（如圖1所示）。

藥品：乙酸乙酯（AR）、蒸餾水、紅墨水溶液、pH分別為4、7、10的溶液。

二、實驗原理

1.色度傳感器的工作原理

色度傳感器是一種測量某種波長的光透過溶液程度（即透光率，T）的儀器。溶液吸光度（A）與透光率（T）之間的關系為A=lg（1/T），可由色度傳感器直接測得。根據朗伯比爾定律有：A=εbc（ε為摩爾吸光系數，b為液層厚度）。因此，在一定的濃度范圍內，吸光度A與溶液濃度c呈線性關系。

2.乙酸乙酯水解的探究原理

實驗的大致思路為：向不同酸堿性的介質溶液中滴入1—2滴紅墨水溶液，觀察乙酸乙酯水解時，溶液透光率改變的快慢，從而確定乙酸乙酯在何種酸堿度條件下水解的速率較快。

由于乙酸乙酯水解產生乙醇和乙酸，而乙醇和乙酸與水任意比互溶，將導致水層溶液稀釋，從而顏色變淺，因此，可以觀察單位時間內水層變淺的多少來衡量乙酸乙酯在不同酸堿度時的水解快慢。

三、實驗步驟與結果討論

1.實驗步驟

（1）連接好數據采集器、色度傳感器等相關實驗裝置。

（2）選擇藍色光為透射光，分別使用黑色和透明的比色皿進行兩點校準，設置好采集時間為不限定，樣本取樣頻率為1個/s;向比色皿中加入2mL pH=4的溶液，滴加2滴紅墨水溶液，混合均勻，放入55℃恒溫箱中。三組空白實驗溶液透光率變化如圖3所示。

（3）選擇藍色光為透射光，分別使用黑色和透明的比色皿進行兩點校準，設置好采集時間為不限定，樣本取樣頻率為1個/s;向比色皿中加入2mL pH=4的溶液，滴加2滴紅墨水溶液，混合均勻，再加入1mL乙酸乙酯，放入55℃恒溫箱中。三組平行實驗溶液透光率變化如圖4所示。

（4）同樣的操作完成pH=7、pH=10乙酸乙酯水解時的水層透光率變化，如圖5、圖6所示。

2.實驗結果

將pH分別為4、7、10時，不加入乙酸乙酯做空白實驗，紅墨水溶液的透光率變化的三組曲線圖，設置成相同縮放比例。具體如下圖3所示。

將pH分別為4、7、10時，紅墨水溶液的透光率隨著乙酸乙酯的水解而變化的三組曲線圖，設置成相同縮放比例。具體如下圖4、圖5和圖6所示。

四、幾點思考

1.關于水層染色物質的選擇

文獻顯示[2]，水層染色物質有甲基橙、石蕊等指示劑，其目的在于清晰界分酯層與水層，通過一段時間酯層的減少量，來衡量乙酸乙酯水解的快慢。而本案例設計的思路是，通過觀察酯層透光率變化的多少，從而判斷乙酸乙酯水解的快慢。

本案例選擇的是紅墨水溶液，可不可以選擇甲基橙或石蕊染色呢？事實證明是不行的，因為案例中設計的三組對比實驗分別是pH=4、pH=7、pH=10的不同溶液，無論是甲基橙還是石蕊在不同酸堿度條件下的顏色都不同，對應溶液的起始透光率也肯定各不相同。而且，隨著乙酸乙酯的水解，生成的乙酸越來越多，必然導致溶液pH的變化，從而引起溶液透光率的變化;另外由于水解產物逐漸溶于水，溶液被稀釋，透光率也會逐漸變大，兩種因素都會導致電導率的變化，變量不可控，故不可選酸堿指示劑作為水層染色劑。

綜上所述，在水層染色劑的選擇需滿足以下原則：

（1）不能與乙酸乙酯水解產物發生反應而導致水層顏色的變化。

（2）不能易溶于乙酸乙酯而導致水層顏色變化。

（3）不能與乙酸乙酯發生反應導致水層顏色變化。

考慮實驗藥品的易得性原則，本實驗最終確定用教學中常用的紅墨水作水層染色劑，從實驗效果來看，紅墨水是比較理想的水層染色劑。

2.關于對比實驗的選擇

本實驗設置了三組對比實驗，分別是在溫度約55℃時pH分別為4、7、10的硫酸溶液、蒸餾水和氫氧化鈉溶液。本實驗的目的主要是為了從定量的角度描述乙酸乙酯在不同pH值時的水解情況，因此，筆者選取了三組pH相差3的溶液，從定量的角度說明了乙酸乙酯在堿性條件下水解較容易，反應速率較快。

3.關于實驗變量的控制

本實驗的自變量是時間，因變量是水層透光率的變化，因此，其他無關變量都要控制相同。

（1）溫度。實驗是在溫度約為55℃下進行的，實驗過程中，配制的硫酸溶液和氫氧化鈉溶液均已加熱至55℃，乙酸乙酯也是在55℃恒溫箱內預熱后量取的，因此，三組對比實驗溫度基本控制相同。

（2）水層體積和酯層體積。實驗時控制加入水的體積為2mL，乙酸乙酯的體積為1mL，基本控制三組對比實驗水層體積和酯層體積相同。為防止實驗過程中酯層的揮發，筆者設計了一個與比色皿內徑剛好嵌合且具有良好彈性的發泡塑料，如圖7。很好地防止了因揮發導致的酯層減小，控制了實驗過程中的變量相同。

參考文獻

[1] 王磊，普通高中標準實驗教科書：化學2（必修）（3版）[M].濟南：山東科學技術出版社，2007：81-82

[2] 相虎.酯的水解實驗的改進[J].化學教育，2003（4）