dolo Čitev kinetike sinteze acetilsalicilne kisline · 5.1 sinteza acetilsalicilne kisline z...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Vesna Dragojlović

DOLOČITEV KINETIKE SINTEZE

ACETILSALICILNE KISLINE

Diplomska naloga

Maribor, marec 2011

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

DOLOČITEV KINETIKE SINTEZE ACETILSALICILNE KISLINE

Študent: Vesna DRAGOJLOVIĆ Študijski program: univerzitetni, Kemijska tehnologija Smer: Biokemijska tehnika Predvideni strokovni naslov: dipl. inž. kem. tehnol. (UN) Mentorica: doc. dr. Anita KOVAČ KRALJ Somentorica: Izr. prof. dr. Andreja GORŠEK

IZJAVA

Izjavljam, da sem diplomsko delo izdelala sama, prispevki drugih so posebej označeni. Pregledala sem literaturo iz področja diplomskega dela po naslednjih elementih:

Vir: Science Direct, Chemical Abstracts

Gesla: Chemical kinetics, acetylsalicylic acid synthesis, batch reactor

Skupine gesel (unija itd.): Chemical kinetics, acetylsalicylic acid

Časovno obdobje: Od leta 1950 do leta 2011

Število referenc: 32

Število prebranih izvlečkov: 28

Število prebranih člankov: 18

Število pregledanih knjig: 19

-------------------------- Maribor, marec 2011 podpis študentke

ZAHVALA I

ZAHVALA

Za pomoč pri eksperimentalnem delu in številne praktične nasvete pri izdelavi pričujočega diplomskega dela se najlepše zahvaljujem mentorici, doc. dr. Aniti Kovač Kralj. Zahvaljujem se tudi izr. prof. dr. Andreji Goršek, ki me je v delo strokovno uvedla ter svoje znanje in izkušnje nesebično delila z mano. Prav tako bi se rada zahvalila celotnemu kolektivu fakultete, ki je kakorkoli prispeval k nastanku tega diplomskega dela.

Posebna zahvala gre bližnjim, predvsem staršema za njuno moralno podporo in izredno potrpežljivost.

POVZETEK III

DOLOČITEV KINETIKE SINTEZE ACETILSALICILNE KISLINE

Povzetek

Aspirin, znan tudi kot acetilsalicilna kislina (CH3COOC6H4COOH), je salicilna droga, ki se

pogosto uporablja kot učinkovito sredstvo za lajšanje manjših bolečin, antipiretik za

zmanjšanje vročine in protivnetno zdravilo. Namen diplomskega dela je bila sinteza

aspirina in določitev reda reakcije. Potek reakcije smo zasledovali z opazovanjem

spreminjanja specifične prevodnosti šibkega elektrolita, ocetne kisline (CH3COOH), v

odvisnosti od časa. Kinetiko reakcije proizvodnje ocetne kisline kot stranskega proizvoda

pri sintezi aspirina iz salicilne kisline (HOC6H4COOH) in anhidrida ocetne kisline

((CH3CO)2O) smo preverili v šaržnem mešalnem reaktorju pri različnih temperaturah:

HOC6H4COOH + (CH3CO)2O ↔ CH3COOC6H4COOH + CH3COOH

S poviševanjem temperature v reaktorju smo pospešili potek reakcije. Koncentracija

reaktantov se med potekom kemijske reakcije zmanjšuje, medtem ko presnova narašča.

Na podlagi pridobljenih meritev in izračunov smo določili kinetične parametre in značilnosti

sinteze aspirina (red reakcije, konstanto proizvodnosti, aktivacijsko energijo). Ugotovili

smo, da reakcija sinteze aspirina poteka po kinetiki 2. reda. Iz dobljenih rezultatov lahko

povzamemo, da je kontinuirna metoda z opazovanjem specifične prevodnosti zelo

koristna za neprekinjeno merjenje koncentracije.

Kemijska kinetika sinteze aspirina je še dokaj neraziskana tema, zato bodo vsekakor

potrebne še dodatne raziskave, kar pušča odprta vrata za nadaljnje študije.

Ključne besede: sinteza acetilsalicilne kisline, kemijska kinetika, konstanta proizvodnosti

šibkega elektrolita, presnova, aktivacijska energija, red reakcije,

specifična prevodnost

UDK: 547.587.1(043.2)

IV ABSTRACT

DETERMINATION THE KINETICS OF ACETYLSALICYLIC ACID SYNTHESIS

Abstract

Aspirin, also known as acetylsalicylic acid (CH3COOC6H4COOH), is a salicylate drug,

often used as an effective remedy to relieve minor pains, as an antipyretic to reduce fever,

and as an anti-inflammatory medication. The purpose of this study was the aspirin

synthesis and to determine the order of the reaction. The course of the reaction was

studied by measuring weak electrolyte conductivity, acetic acid (CH3COOH), as a function

of time. The reaction kinetics when producing acetic acid as a by-product by aspirin

synthesis from salicylic acid (HOC6H4COOH) and acetic anhydride ((CH3CO)2O) was

checked in a stirred batch reactor under different temperatures:

HOC6H4COOH + (CH3CO)2O ↔ CH3COOC6H4COOH + CH3COOH

We accelerate the course of reaction with increasing temperature in the reactor. The

concentration of the reactants during the course of chemical reaction decreases, while

assimilation increases.

The kinetic parameters and features of aspirin synthesis (rate order, reaction rate

constant, activation energy) were determined on the basis of measurements and

calculations. We state that aspirin synthesis reaction follows the kinetics of the second

order. The results showed that the continuous method, by observing the specific

conductance, was very useful for uninterrupted concentration measurement.

The chemical kinetics of aspirin synthesis is relatively unexplored topic, therefore, an extra

researches are certainly needed, and this leaves an open door for further studies.

Key words: acetylsalicylic acid synthesis, chemical kinetics, weak electrolyte reaction rate

constant, assimilation, activation energy, rate order, specific conductance

UDC: 547.587.1(043.2)

VSEBINA V

VSEBINA

1 UVOD............................................................................................1

2 TEORETIČNE OSNOVE ...............................................................3

2.1 Prevodnost raztopine 4

2.1.1 Šibki elektroliti 5

2.2 Kinetika kemijske reakcije 7

3 MATERIALI.................................................................................11

3.1 Laboratorijska oprema 11

3.1.1 Šaržni mešalni reaktor 12

3.2 Kemikalije 14

3.3 Acetilsalicilna kislina 14

3.3.1 Fizikalne in kemijske lastnosti 15

3.3.2 Toksičnost 16

3.3.3 Uporaba 16

3.3.4 Embalaža, skladiščenje in cena 16

3.4 Surovini in stranski produkt 17

3.4.1 Salicilna kislina 17

3.4.2 Acetanhidrid 19

3.4.3 Ocetna kislina 20

4 EKSPERIMENTALNI DEL ..........................................................23

4.1 Sinteza acetilsalicilne kisline 23

4.1.1 Postopek sinteze acetilsalicilne kisline z acetanhidridom v prebitku 23

4.1.2 Postopek sinteze acetilsalicilne kisline s salicilno kislino v prebitku 25

4.2 Kristalizacija acetilsalicilne kisline 25

4.2.1 Postopek kristalizacije acetilsalicilne kisline 26

4.3 Sušenje in čiščenje acetilsalicilne kisline 27

4.3.1 Postopek sušenja in čiščenja acetilsalicilne kisline 27

VI VSEBINA

5 REZULTATI ................................................................................ 29

5.1 Sinteza acetilsalicilne kisline z acetanhidridom v prebitku 29

5.1.1 Določanje koncentracije in presnove salicilne kisline 29

5.1.2 Določitev reda reakcije salicilne kisline 36

5.2 Sinteza acetilsalicilne kisline s salicilno kislino v prebitku 37

5.2.1 Določanje koncentracije in presnove acetanhidrida 37

5.2.2 Določitev reda reakcije acetanhidrida 43

5.3 Določitev aktivacijske energije reakcije 44

5.4 Določitev reda reakcije sinteze acetilsalicilne kisline 45

6 RAZPRAVA................................................................................ 47

7 SKLEP........................................................................................ 49

8 VIRI IN LITERATURA................................................................. 51

9 PRILOGE.................................................................................... 55

Priloga A.9 55

A.9.1 Določitev koncentracije, cA, in presnove, XA, salicilne kisline 55

A.9.2 Določitev reda reakcije salicilne kisline 57

A.9.3 Določitev Ea salicilne kisline 59

Priloga B.9 60

B.9.1 Določitev koncentracije, cB, in presnove, XB, acetanhidrida 60

B.9.2 Določitev reda reakcije acetanhidrida 62

B.9.3 Določitev Ea acetanhidrida 64

10 ŽIVLJENJEPIS........................................................................ 65

SEZNAM SLIK VII

SEZNAM SLIK

Slika 3 – 1: Šaržni mešalni reaktor s stalno prostornino.

Slika 3 – 2: 3-D strukturni model molekule acetilsalicilne kisline.

Slika 4 – 1: Sinteza acetilsalicilne kisline.

Slika 4 – 2: Poenostavljen prikaz laboratorijske aparature.

Slika 4 – 3: Kristali acetilsalicilne kisline.

Slika 5 – 1: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) pri ϑ = 25 °C.

Slika 5 – 2: Graf spreminjanja presnove, XA, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 25 °C.

Slika 5 – 3: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.

Slika 5 – 4: Graf XA v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.

Slika 5 – 5: Graf ln (cA0/cA) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 25 °C.

Slika 5 – 6: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) pri ϑ = 24 °C.

Slika 5 – 7: Graf spreminjanja presnove, XB, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 24 °C.

Slika 5 – 8: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) pri ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

Slika 5 – 9: Graf XB v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

Slika 5 – 10: Graf ln (cB0/cB) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 24 °C.

Slika 5 – 11: Graf ln k = f(1/T).

VIII SEZNAM PREGLEDNIC

SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 3 – 1: Fizikalne in kemijske lastnosti acetilsalicilne kisline.

Preglednica 3 – 2: Fizikalne in kemijske lastnosti salicilne kisline.

Preglednica 3 – 3: Fizikalne in kemijske lastnosti acetanhidrida.

Preglednica 3 – 4: Fizikalne in kemijske lastnosti ocetne kisline.

Preglednica 5 – 1: Prikaz eksperimentalnih meritev in izračunov pri ϑ = 25 °C.



Preglednica 5 – 4: Konstanta proizvodnosti, k, pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.




Preglednica 5 – 8: Konstanta proizvodnosti, k, priϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

UPORABLJENE KRATICE IX

UPORABLJENE KRATICE

A − salicilna kislina (SA)

ACS − American Chemical Society

ASA − acetilsalicilna kislina

B − acetanhidrid

C − ocetna kislina

D − acetilsalicilna kislina (ASA)

EUR − evro

IUPAC − International Union of Pure and Applied Chemistry

NSAR − nesteroidna protivnetna zdravila

OECD − Organisation for Economic Co-operation and Development

PET − polietilen tereftalat

SA − salicilna kislina

SIDS − Screening Information Data Set

UNEP − United Nations Environment Programme

X UPORABLJENI SIMBOLI

UPORABLJENI SIMBOLI

A Površina m2

c molarna koncentracija mol/L

cA koncentracija salicilne kisline mol/L

cA0 začetna koncentracija salicilne kisline mol/L

cA(nezreag.) koncentracija nezreagirane salicilne kisline mol/L

cA(zreag.) koncentracija zreagirane salicilne kisline mol/L

cB koncentracija acetanhidrida mol/L

cB0 začetna koncentracija acetanhidrida mol/L

cC koncentracija ocetne kisline mol/L

Cn nakupna cena EUR/g

Ea aktivacijska energija J/mol

G električna prevodnost S

Ka disociacijska konstanta /

k konstanta proizvodnosti za 1. oz. 2. red reakcije min–1 oz. L/(mol min)

k0 predeksponentni faktor za 1. oz. 2. red reakcije min–1 oz. L/(mol min)

k' psevdo konstanta proizvodnosti salicilne kisline min–1

k'' psevdo konstanta proizvodnosti acetanhidrida min–1

l Dolžina m

m red reakcije acetanhidrida /

m Masa g

M molska masa g/mol

n red reakcije salicilne kisline /

n Množina mol

nD lomni količnik /

p Tlak Pa

R splošna plinska konstanta J/(mol K)

r proizvodnost reakcije mol/(L min)

rA proizvodnost salicilne kisline mol/(L min)

rB proizvodnost acetanhidrida mol/(L min)

UPORABLJENI SIMBOLI XI

Rk električna upornost Ω

t Čas min

T absolutna temperatura K

V prostornina L

w masni delež 1

XA presnova salicilne kisline /

XB presnova acetanhidrida /

Grške črke

ϑ Temperatura °C

ϑP temperatura plamenišča °C

ϑT temperatura tališča °C

ϑV temperatura vrelišča °C

Λm molarna prevodnost S m2/mol omΛ molarna prevodnost pri neskončnem razredčenju S m2/mol

α stopnja disociacije /

η Viskoznost Pa s

κ specifična prevodnost S/m

κ0 specifična prevodnost čiste salicilne kisline S/m

κC specifična prevodnost ocetne kisline S/m

κt izmerjena specifična prevodnost S/m

ρ Gostota g/mL

ρl gostota tekočine g/mL

ρs gostota trdnine g/mL

ξ Topnost g/kg

Določitev kinetike sinteze acetilsalicilne kisline Stran 1

UVOD

1 UVOD

Aspirin ali acetilsalicilna kislina (ASA) je ena izmed najbolj razširjenih salicilatnih drog v

sodobni družbi. Aspirin je bil prvi odkriti član vrste zdravil, imenovanih nesteroidni

antirevmatiki (NSAR). Najpogosteje se uporablja za zdravljenje blagih do zmernih bolečin

in za zniževanje vročine (Rainsford, 2004).

Prvi zapisi starodavnih Azijcev kažejo, da so grenki prašek, dobljen iz lubja vrbe, ki lajša

bolečine in znižuje telesno temperaturo, poznali že pred 2400 leti (Lewis in Laugharne,

1998). Acetilsalicilno kislino je prvi pripravil francoski kemik Charles Frederic Gerhardt

(1853). Na podlagi študij svojega predhodnega dela, kjer je proučeval sintezo in lastnosti

različnih kislih anhidridov, je pripravil mešanico acetil klorida z natrijevim salicilatom. Šest

let kasneje je znanstvenik H. Gilm z reakcijo salicilne kisline in acetilklorida pridobil

analitično čisto acetilsalicilno kislino (1859). Kasneje je skupina raziskovalcev ponovila

Gehardtovo in Gilmovo sintezo in prišla do zaključka, da je rezultat obeh reakcij ista

spojina, acetilsalicilna kislina. Bili so prvi, ki so ji določili pravilno strukturo z acetilno

skupino vezano na kisik fenola (Schröder idr., 1869).

Znanstveniki v podjetju Bayer so leta 1897 začeli raziskovati acetilsalicilno kislino kot manj

razdražljivo nadomestilo za standardna javna salicilatna zdravila. Takrat je nemški kemik

Felix Hoffmann ustvaril sintetično spremenjeno različico salicina. Leta 1899 je Bayer

poimenoval to zdravilo Aspirin, ki je postalo registrirana blagovna znamka podjetja. Tako

se je začela prodaja aspirina po vsem svetu. Priljubljenost aspirina se je povečala v prvi

polovici dvajsetega stoletja, ko se je izkazal kot učinkovito zdravilo zoper pandemiji

španske gripe (Jeffreys, 2005). Osnovni mehanizem učinkovanja aspirina je odkril

britanski farmakolog John Robert Vane (1971). Klinični poskusi in druge študije v obdobju

60-ih do 80-ih letih prejšnjega stoletja so dokazale učinkovitost aspirina kot sredstva proti

strjevanju krvi, ki zmanjšuje tveganje strjevanja (Jeffreys, 2005). Zahvaljujoč široki uporabi

kot preventivno zdravilo proti srčnim napadom in kapem je prodaja aspirina v zadnjih

desetletjih dvajsetega stoletja precej zaživela in še dandanes ostaja močna.

V tej diplomski nalogi smo se osredotočili na proučevanje kemijske kinetike acetilsalicilne

kisline, ki je še dokaj neraziskana tema. Na omenjeno temo praktično nismo zasledili

Stran 2 Določitev kinetike sinteze acetilsalicilne kisline

UVOD

znanstvene literature, kljub dejstvu, da je bilo na tematiko sinteze acetilsalicilne kisline do

sedaj izvedenih mnogo raziskav. To je bil tudi povod, da smo se odločili prav za študijo

kinetike sinteze acetilsalicilne kisline. Sintezo smo izvedli v šaržnem mešalnem reaktorju s

preprosto reakcijo esterifikacije med salicilno kislino in acetanhidridom. Študijo določanja

kemijske kinetike, glede na proizvodnjo acetilsalicilne kisline iz salicilne kisline

(HOC6H4COOH) in acetanhidrida ((CH3CO)2O), smo opravili z merjenjem prevodnosti

ocetne kisline (CH3COOH) kot šibkega elektrolita.

Spremembe koncentracije v odvisnosti od časa so osnova kemijske kinetike. Po pregledu

strokovne literature smo zasledili kar nekaj znanstvenih člankov, ki so proučevali kinetiko

acetanhidrida, potrebne surovine pri sintezi acetilsalicilne kisline.

Z uporabo šaržnega reaktorja so določili konstanto reakcijske hitrosti psevdo-prvega reda

glede na hidrolizo acetanhidrida. Za določitev koncentracije acetanhidrida so vzorce iz

reaktorja prenesli v katranizirane bučke, ki so vsebovale 15-20 kratno količino nasičene

anilinske vode, potrebne za reakcijo z vzorcem. Anhidrid je hitro acetiliral anilin in tako so

nastali produkti acetanilid in ocetna kislina. Vzorce so nato titrirali in na ta način določili

koncentracijo ocetne kisline (Eldridge in Piret, 1950).

V drugi študiji so določili kinetiko zgornje reakcije z uporabo podatkov temperatura-čas, ki

so jih pridobili na podlagi adiabatnih pogojev v reaktorju (Shatyski in Hanesian, 1993). Za

sledečo reakcijo hidrolize acetanhidrida je bila že izvedena uporaba in-situ FTIR

spektroskopije. Eksperiment je bil izveden v šaržnem reaktorju. Analiza podatkov je

pokazala, da je hidroliza acetanhidrida reakcija psevdo-prvega reda. Konstante

proizvodnosti so izračunali iz podatkov z uporabo diferencialne in integralne analizne

metode (Haji in Erkey, 2005).

V prvi fazi diplomskega dela smo opisali osnovne značilnosti kemijske kinetike. V drugi

fazi smo predstavili osnovne značilnosti produkta in potrebnih surovin, prav tako smo se

seznanili s stranskim produktom. Opisali smo potrebne metode, ki smo jih uporabili pri

eksperimentalnem delu, kjer smo obravnavali kinetiko sinteze acetilsalicilne kisline pri

šestih različnih temperaturah reakcijske zmesi.

Namen diplomskega dela je bil določiti konstanto proizvodnosti, red reakcije in

aktivacijsko energijo v šaržnem mešalnem reaktorju za reakcijo proizvodnje acetilsalicilne

in ocetne kisline iz reakcijske zmesi salicilne kisline in acetanhidrida. Predvsem nas je

zanimal vpliv temperature na presnovo.


TEORETIČNE OSNOVE

2 TEORETIČNE OSNOVE

Splošne kemijske transformacije, ki se pojavljajo v naravi in v mnogih procesih, ki so jih

zasnovali kemiki in inženirji, so lahko zelo zapletene. Pogosto so sestavljene iz več sto ali

celo več tisoč različnih vrst molekulskih reakcij, zaradi katerih pride do skupne kemijske

preobrazbe. To so t. i. elementarne kemijske reakcije in so podlaga za podrobno

razumevanje tega, kako nastanejo kompleksne kemijske reakcije in na kakšni stopnji se

pojavijo (Carr, 2007). Elementarne reakcije predstavljajo kemijske reakcije, v katerih

reaktanti (atomi, molekule, ioni ali radikali) prehajajo v produkte v samo enem koraku in

preko samo enega prehodnega stanja (IUPAC, 1997).

Zgodovinski razvoj kemijske kinetike, ki proučuje hitrost in mehanizme kemijskih reakcij,

se je začel z empiričnim opazovanjem splošnih hitrosti, pri katerih se kemične spojine

pretvorijo v končne reakcijske produkte. Takratno znanje o temeljnih elementarnih

kemijskih reakcijah je bilo zelo skromno, zato so kemijske procesne industrije za opis

kemijskega procesa razvile empirične modele, ki še danes predstavljajo pomemben del

kemijskega inženirstva. Skozi generacije so sčasoma izučeni kemijski inženirji razvili te

metode do visoke stopnje zahtevnosti. Empirični modeli imajo še vedno določene

omejitve. Omejeni so na vrsto eksperimentalnih spremenljivk, na osnovi kateri so bili

razviti, in se ne smejo uporabljati zunaj tega območja. Ne moremo jih napovedati, zato

tudi težko predvidimo izboljšave v procesu (Carr, 2007).

V dvajsetem stoletju je bilo izvedenih ogromno eksperimentalnih in teoretičnih raziskav na

področju elementarnih kemijskih reakcij. Raziskave se nadaljujejo še dandanes. Sadovi

teh raziskav so obsežne baze kinetičnih podatkov in molekularne teorije, na podlagi

katerih lahko povzamemo oceno v primeru, ko ni na voljo eksperimentalnih podatkov.

Prav tako je pomemben vzporedni razvoj na področju termokemije. Vse te informacije

omogočajo razvoj podrobnih modelov kemijske kinetike osnovnih kemijskih reakcij. Modeli

so bili izdelani za uporabo na različnih področjih, kot je atmosferska kemija, izgorevanje,

nizko temperaturna oksidacija, kemijsko izhlapevanje in reakcije v tradicionalnih

industrijskih kemijskih procesih. Hitrost posamezne elementarne reakcije v vzorcu se


TEORETIČNE OSNOVE

izrazi kot navadna diferencialna enačba, zato so modeli dinamični sistemi. Poleg tega

hitrosti variirajo med številnimi velikostnimi razredi, tako so modeli zelo togi (Carr, 2007).

Na hitrost kemijske reakcije lahko vpliva veliko spremenljivk. V homogenih sistemih, kjer

potekajo reakcije v eni fazi, so temperatura, tlak in sestava očitne spremenljivke. V

heterogenih sistemih, kjer imamo prisotnih več faz, pa postane ta problem kompleksnejši.

Surovina utegne med reakcijo prehajati iz ene faze v drugo, zato lahko postane hitrost

prenosa mase pomembna spremenljivka (Levenspiel, 1998). Napredek na področju

hitrosti in spomina digitalnih računalnikov, skupaj z razvojem metod za postopanje s

togostjo, predstavljajo zadnji košček sestavljanke, ki je omogočila preproste numerične

izračune mogoče (Carr, 2007).

2.1 Prevodnost raztopine

S proučevanjem gibanja ionov v raztopini lahko pridobimo dodaten vpogled v naravo

gibanja molekul. Potencialna razlika med dvema elektrodama, potopljenima v vzorcu,

povzroči premikanje ionov skozi topilo.

Za proučevanje gibanja ionov se kot temeljna meritev uporablja električna upornost

raztopine, Rk (Atkins, 1998). Prevodnost raztopine, G, je obratno sorazmerna z njeno

upornostjo, Rk, G = 1 / Rk. Upornost je izražena v ohmih, Ω, zato je prevodnost vzorca

izražena v Ω−1. Uradna recipročna vrednost ohma je siemens, S, in 1 S = 1 Ω

−1.

Prevodnost vzorca se zmanjšuje z dolžino med elektrodama, l, in povečuje pravokotno na

površino vzorca, A, zato zapišemo:

l

AκG

⋅= , (2.1)

kjer so: G – prevodnost, S,

κ – specifična prevodnost, S/m,

A – površina vzorca, m2,

l – dolžina, m.

Prevodnost raztopine je odvisna od števila prisotnih ionov in je normalno, da se uvede

molarna prevodnost, Λm, ki je definirana kot:

c

κΛ =m , (2.2)


TEORETIČNE OSNOVE

kjer so: mΛ – molarna prevodnost, S m2/mol,

κ – specifična prevodnost, S/m,

c – molarna koncentracija dodanega elektrolita, mol/L.

Molarna prevodnost se spreminja glede na koncentracijo. Eden od vzrokov za to

spreminjanje je, da število ionov v raztopini morda ni sorazmerno koncentraciji elektrolita.

Na primer, koncentracija ionov v raztopini šibke kisline je odvisna od koncentracije kisline

v zapletenem smislu, saj podvojitev koncentracije dodane kisline ne podvoji števila ionov.

Nadalje, ker ioni močno vplivajo drug na drugega, je prevodnost raztopine nenatančno

sorazmerna številu prisotnih ionov. Koncentracijska odvisnost od molarnih prevodnosti

naznanja, da obstajata dve vrsti elektrolitov. Za močni elektrolit je značilno, da je njegova

molarna prevodnost le rahlo odvisna od molarne koncentracije. Za šibki elektrolit je

značilno, da je pri koncentracijah blizu nič njegova molarna prevodnost normalna, vendar

s povišanjem koncentracije hitro pade na nižje vrednosti (Atkins, 1998).

2.1.1 Šibki elektroliti

Šibki elektroliti so deloma ionizirani v raztopini (Atkins, 1998). Mednje sodijo šibke kisline

in baze po Brønsted-u, kot so ocetna kislina, CH3COOH, in amonijak, NH3. Označena

koncentracijska odvisnost od njihovih molarnih prevodnosti izhaja iz premika ravnotežja

proti produktom z nižjimi molarnimi koncentracijami:

HA(aq) + H2O(l) ↔ H3O+

(aq) + A−(aq) (2.3)

Spodaj podana enačba nam podaja disociacijsko konstanto za zgornjo enačbo, ki jo

zapišemo kot razmerje med molarnima koncentracijama produktov in reaktantov:

HA

AH3Oa

a

aaK

−+⋅

= , (2.4)

kjer je: Ka – disociacijska konstanta.

Prevodnost je odvisna od števila ionov v raztopini, torej od stopnje ionizacije oz.

disociacije elektrolita, α. V primeru, ko se le-ta nanaša na šibko kislino, govorimo o stopnji

deprotoniranja. Za kislino, HA, pri molarni koncentraciji, c, podamo slednje z ravnotežjem:

[H3O+] = α ⋅ c ⋅ [A−

] = α ⋅ c ⋅ [HA] = (1 − α) ⋅ c (2.5)


TEORETIČNE OSNOVE

V primeru, da zanemarimo aktivnostne koeficiente, lahko disociacijsko konstanto, Ka,

podamo z enačbo:

α

cαK

−

⋅=

1

2

a , (2.6)

kjer so: Ka – disociacijska konstanta,

α – stopnja disociacije,

c – molarna koncentracija elektrolita, mol/L.

Pri neskončnem razredčenju je kislina popolnoma deprotonirana in tedaj je njena molarna

prevodnost, omΛ . Ioni v dejanski raztopini predstavljajo le frakcijo stopnje disociacije, α,

zato podamo izmerjeno molarno prevodnost, Λm, z enačbo:

om

m

Λ

Λ=α , (2.7)

kjer so: α – stopnja disociacije,

mΛ – molarna prevodnost, S m2/mol,

omΛ – molarna prevodnost pri neskončnem razredčenju, S m2/mol.

Za šibek elektrolit je stopnja disociacije, α, blizu nič, v primeru močnega elektrolita pa se

približuje vrednosti 1.

Iz en. (2.6) izrazimo koncentracijo, c:

2a )(1

α

αKc

−⋅= , (2.8)

kjer so: c – molarna koncentracija elektrolita, mol/L,

Ka – disociacijska konstanta,

α – stopnja disociacije.

Iz en. (2.7) izrazimo stopnjo disociacije, α, pri čemer vzamemo v obzir en. (2.2) in en.

(2.8):

)( aom

aom

KΛκ

KΛα

⋅+

⋅= , (2.9)

kjer so: α – stopnja disociacije,


TEORETIČNE OSNOVE

omΛ – molarna prevodnost pri neskončnem razredčenju, S m2 mol–1,

Ka – disociacijska konstanta,

κ – specifična prevodnost, S m–1.

2.2 Kinetika kemijske reakcije

Sinteza acetlsalicilne kisline poteka po reakciji:

HOC6H4COOH + (CH3CO)2O ↔ H3CCOOC6H4COOH + CH3COOH, (2.10)

A B D C

kjer so: A – salicilna kislina,

B – acetanhidrid,

C – ocetna kislina,

D – acetilsalicilna kislina

Za šaržni reaktor s konstantno prostornino (Haji in Erkey, 2005), je hitrost, pri kateri se

porablja reaktant A, salicilna kislina (HOC6H4COOH), rA, podana z enačbo (Levenspiel,

1998):

t

cr

dd A

A =− , (2.11)

kjer so: rA – proizvodnost salicilne kisline, mol/(L min),

cA – koncentracija salicilne kisline, mol/L,

t – čas, min.

Proizvodnost, rA, lahko izrazimo kot:

mB

nAA cckr ⋅⋅=− , (2.12)


k – konstanta proizvodnosti za 2. red reakcije, L/(mol min),


cB – koncentracija acetanhidrida, mol/L,


TEORETIČNE OSNOVE

n – red reakcije salicilne kisline,

m – red reakcije acetanhidrida.

z ozirom na reaktanta A (salicilna kislina) in reaktant B (acetanhidrid, ((CH3CO)2O)).

Najprej je acetanhidrid v prebitku, koncentracija, cB, ostaja med potekom reakcije

praktično nespremenjena. Tako velja:

nAA ' ckr ⋅=− , (2.13)

kjer je: k' – psevdo konstanta proizvodnosti salicilne kisline, min–1.

Izrazimo jo kot:

B0mB' ckckk ⋅≈⋅= , (2.14)

kjer so: cB0 – začetna koncentracija acetanhidrida, mol/L,

k – konstanta proizvodnosti za 2. red reakcije, L/(mol min).

Drugič je salicilna kislina v prebitku, njena koncentracija, cA, se med potekom reakcije

bistveno ne spreminja:

mBB '' ckr ⋅=− , (2.15)

kjer so: rB – proizvodnost acetanhidrida, mol/(L min),

k’’ – psevdo konstanta proizvodnosti acetanhidrida, min–1.

Podamo jo z enačbo:

A0nA'' ckckk ⋅≈⋅= , (2.16)

kjer je: cA0 – začetna koncentracija salicilne kisline, mol/L.

Red reakcije in konstanto proizvodnosti lahko določimo z integralno metodo. Pri tej metodi

uganemo obliko enačbe proizvodnosti in integriramo diferencialno enačbo, ki nam služi

kot model šaržnega sistema. V primeru, da smo pravilno uganili red reakcije, bi morali z

integracijo podatkov koncentracija-čas, dobiti značilno linearno premico.


TEORETIČNE OSNOVE

V primeru reakcije 1. reda, kjer je enačba proizvodnosti, –rA = k ⋅ cA, in je acetanhidrid v

prebitku, zapišemo integracijo en. (2.11) kot:

A

A0lnc

ctk =⋅ , (2.17)

kjer so: k – konstanta proizvodnosti za 1. red reakcije, min–1,

t – čas, min,

cA0 – začetna koncentracija salicilne kisline, mol/L,

cA – koncentracija salicilne kisline, mol/L.

Za 1. red reakcije, kjer je salicilna kislina v prebitku, podamo enačbo:

B

B0lnc

ctk =⋅ , (2.18)

kjer so: k – konstanta proizvodnosti za 1. red reakcije, min–1,

t – čas, min,

cB0 – začetna koncentracija acetanhidrida, mol/L,

cB – koncentracija acetanhidrida, mol/L.

V primeru reakcije 2. reda, kjer je enačba proizvodnosti, –rA = k ⋅ cA2, in je acetanhidrid, cB,

v prebitku, podamo integracijo en. (2.11) kot :

tkcc

⋅+=A0A

11, (2.19)

2. red reakcije, kjer je salicilna kislina, cA, v prebitku, podamo z enačbo:

tkcc

⋅+=B0B

11, (2.20)

kjer so: k – konstanta proizvodnosti za 2. red reakcije, L/(mol min),

t – čas, min,

cB0 – začetna koncentracija acetanhidrida, mol/L,



TEORETIČNE OSNOVE

Specifična konstanta proizvodnosti, k, je funkcija temperature reakcije. To zvezo podamo

z Arrheniusovo enačbo (Levenspiel, 1998):

TR

E

kk ⋅−⋅=a

e0 , (2.21)

kjer so: k – konstanta proizvodnosti za 1. oz. 2. red reakcije, min–1 oz. L/(mol min)

k0 – predeksponentni factor za 1. oz. 2. red reakcije, min–1 oz. L/(mol min)

Ea – aktivacijska energija reakcije, J/mol,

R – splošna plinska konstanta, J/(mol K),

T – absolutna temperature reakcije, K.

Faktor pogostnosti oz. predeksponentni faktor, k0, predstavlja skupno pogostnost trkov

med molekulami reaktanta, ne glede na to, ali je njihova energija dovolj velika za začetek

reakcije ali ne. Predeksponentni faktor, k0, ima enako enoto, kot konstanta proizvodnosti

(Levenspiel, 1998).


MATERIALI

3 MATERIALI

V tem razdelku si bomo podrobno ogledali posamezne materiale (laboratorijsko opremo,

kemikalije in proizvode), s katerimi smo se srečali v tej raziskavi.

3.1 Laboratorijska oprema

Potrebni inventar za sintezo acetilsalicilne kisline:

bireta,

Büchnerjev lij s filtrirnim papirjem,

digitalna tehtnica,

električni grelec,

električno mešalo,

elektrolitska celica,

erlenmajerica,

konduktometer,

merilni valj, V = 1000 mL,

prižeme,

polnilna pipeta, V = 10 mL,

stekleni čaši, V = 100 mL in V = 1000 mL,

steklena palčka,

stojala,

štoparica,

termometer,

termostat,


MATERIALI

termostatirna posoda,

urno steklo,

večja čaša napolnjena z zdrobljenim ledom (ledena kopel),

večja čaša (uporabili smo jo kot šaržni reaktor).

3.1.1 Šaržni mešalni reaktor

Reaktor je enota, v kateri se vršijo kemijske reakcije in predstavlja srce vsakega

kemijskega procesa. Kemijski proces spremeni poceni kemikalije v dragocene, zato so

kemijski inženirji edini usposobljeni delavci za rokovanje z njim (Schmidt, 1998).

Šaržni ali diskontinuirni reaktor je razmeroma preprosta naprava in potrebuje malo

dodatne opreme ali instrumentov. Definiramo ga kot prostorsko zaprt enoten sistem, ki

ima v času nič določene koncentracijske parametre (Schmidt, 1998). Vse kar je treba

določiti, je obseg reakcije v različnih obdobjih in to je mogoče slediti na več načinov

(Levenspiel, 1998):

S sledenjem koncentracije določene komponente,

S sledenjem spremembe v neki fizikalni lastnosti tekočine, kot je električna

prevodnost in lomni količnik,

S sledenjem spremembe celotnega tlaka sistema s konstantno prostornino,

S sledenjem spremembe volumna sistema s konstantnim tlakom.

Zaradi lažje interpretacije rezultatov deluje eksperimentalni šaržni reaktor običajno

izotermno in ima konstantno prostornino (Levenspiel, 1998). Preprost šaržni reaktor

izgleda tako, kot je prikazano na sliki 3 – 1 in se uporablja za preiskavo kinetike kemijskih

reakcij v laboratoriju in tudi za obsežnejše, komercializirane operacije (Couper idr., 2010;

Missen idr., 1999). Šaržni reaktor uporabljamo predvsem za proizvodnjo manjših količin

produktov, kot so zdravila, barvila, pri katerih kontinuirni postopki niso donosni.

Šaržni reaktor ima nekaj slabih strani (Levenspiel, 1998):

mrtvi čas pri polnjenju, praznjenju, segrevanju in ohlajanju,

visoke stroške energije zaradi segrevanja in ohlajanja,

višje stroške dela za nadzorovanje procesa, ki navadno ni avtomatiziran.


MATERIALI

Snovno in energetsko bilanco za šaržni reaktor zapišemo kot (Levenspiel, 1998):

vtok = iztok + zreagirano + akumulirano (3.1)

V idealnem šaržnem reaktorju je stik med reaktanti idealen, zato skušamo realni reaktor

načrtovati tako, da se čimbolj približamo idealnemu. Idealni šaržni reaktor ima popolno

mešanje reakcijske mase. Pri tem so koncentracija, temperatura in fizikalne lastnosti

vsake reakcijske komponente v vsakem prostorskem delu reaktorja hkrati enake in se

spreminjajo s časom. Ker je koncentracija snovi po vsem reaktorju enaka, lahko

računamo snovno bilanco za cel reaktor. Fluid ne teče niti v reaktor niti iz njega, zato

snovno bilanco komponente A glede na en. (3.1) podamo z enačbo (Levenspiel, 1998):

(vtok = 0) = (iztok = 0) + zreagirano + akumulirano (3.2)

Z ovrednotenjem izrazov v oklepajih en. (3.2) dobimo:

(hitrost izgube A zaradi reakcije v reaktorju) = – (hitrost akumulacije A v reaktorju) (3.3)

Kinetične meritve lahko analiziramo z integralnimi in diferencialnimi metodami. Pri

integralni metodi moramo najprej uganiti obliko enačbe proizvodnosti in po primerni

integraciji ter matematičnih izračunih narisati funkcijo koncentracije v odvisnosti od časa.

Eksperimentalni podatki morajo ležati na premici. V primeru, da dobimo krivuljo, enačba

proizvodnosti ni pravilna, zato moramo najti drugačno enačbo. Pri diferencialni metodi

analize neposredno, brez integracije, uporabimo diferencialno enačbo za hitrost.

Vsaka od omenjenih metod ima svoje prednosti in slabosti. Integralna metoda je preprosta

in jo uporabljamo za preizkušanje določenih mehanizmov, enostavne kinetične izraze ali v

primeru razpršenosti podatkov, ko ne moremo zanesljivo najti izpeljav, potrebnih za

diferencialno metodo. Za zahtevnejše primere uporabljamo diferencialno metodo, ki

zahteva bolj natančne podatke ali večjo količino le-teh. Z integralno metodo lahko samo

preizkušamo določene mehanizme. Diferencialno metodo lahko uporabimo za razvoj ali

oblikovanje enačbe proizvodnosti, ki ustreza podatkom. Na splošno je priporočljivo, da se

najprej lotimo integralne analize in če ta ni uspešna, poskusimo še z diferencialno metodo

(Levenspiel, 1998).

Najpogostejša vrsta šaržnega reaktorja je mešalni reaktor, ki se zaradi svoje priročnosti

uporablja tako v laboratorijskih eksperimentih, kot v industriji. Mešalo se prvotno uporablja

za mešanje surovin, vzdrževanje homogenosti med reakcijo in za prenos toplote na plašč

stene ali notranje površine reaktorja (Couper idr., 2010). Za šaržni reaktor, ki ga


MATERIALI

uporabimo za tekočo fazno reakcijo, kot je prikazano na sliki 3 – 1, ponavadi domnevamo,

da je volumen na enoto mase materiala konstanten (Missen idr., 1999).

Slika 3 – 1: Šaržni mešalni reaktor s stalno prostornino.

3.2 Kemikalije

Za sintezo acetilsalicilne kisline smo uporabili naslednje kemikalije:

standardni raztopini natrijevega hidroksida in klorovodikove kisline s koncentracijo,

c = 0,1 mol/L,

salicilna kislina, w ≥ 99 % (proizvajalec Sigma-Aldrich),

acetanhidrid, ACS reagent, w ≥ 99 % (proizvajalec Fluka),

etanol,

destilirana voda.

3.3 Acetilsalicilna kislina

Proizvod sinteze je aspirin ali šibka, acetilsalicilna kislina (CH3COOC6H4COOH). Po

IUPAC-ovi nomenklaturi je poznana kot 2–etanoiloksibenzojska kislina. Aspirin sodi v

skupino nesteroidnih protivnetnih zdravil (NSAR). Njegov osnovni mehanizem delovanja

zavira sintezo encima ciklooksegenaze. Danes je aspirin ena od najbolj razširjenih drog

na svetu, s približno, m = 40.000 t, letne potrošnje (Warner, 2002). V državah, kjer je

Aspirin zaščitena blagovna znamka nemške farmacevtske družbe Bayer, se uporablja


MATERIALI

generično ime acetilsalicilna kislina (ASA) (Rainsford, 2004). Slika 3 – 2 prikazuje

strukturno formulo acetilsalicilne kisline v tridimenzionalni obliki (Harrison, 2010).

Slika 3 – 2: 3-D strukturni model molekule acetilsalicilne kisline.

3.3.1 Fizikalne in kemijske lastnosti

V preglednici 3 − 1 so podane fizikalne in kemijske lastnosti acetilsalicilne kisline. Podatki

so podani za kemikalijo pri standardnih pogojih, ϑ = 25 °C in p = 100 kPa. Vsa odstopanja

od standardnih pogojev so dodatno označena z indeksi, kjer številka pomeni ϑ.

Preglednica 3 – 1: Fizikalne in kemijske lastnosti acetilsalicilne kisline.

ρ20/(g/mL) 1,400

M/(g/mol) 180,157

ϑT/°C 135

ϑV/°C 140

ϑP/°C 250

pKa 3,5

ξ20,VODA/(g/kg) 3

ξ37,VODA/(g/kg) 10

Molekulska formula C9H8O4

Barva brezbarvna ali bela

Struktura Kristalinična

Kislost / bazičnost šibka kislina

Okus Grenak

Vonj brez vonja

dobro topna: alkohol, kloroform, eter Topnost

slabo topna: voda


MATERIALI

Iz preglednice 3 − 1 je razvidno, da z višanjem temperature narašča topnost acetilsalicilne

kisline v vodi. Zelo slabo se raztaplja v vodi. Dobro se raztaplja v alkoholu, kloroformu, in

etru. Acetilsalicilna kislina se v naravi nahaja v obliki brezbarvnih do belih kristalov ali

belega kristaliničnega prahu oz. granul. Acetilsalicilna kislina je brez vonja in rahlo

grenkega okusa (Martindale, 1982; Baker, 2007; Sigma-Aldrich, 2010).

3.3.2 Toksičnost

Aceilsalicilna kislina draži kožo, oči in dihala. Pri občutljivih ljudeh lahko deluje kot

alergen. Zaužitje večje doze acetilsalicilne kisline povzroča kislinsko-bazno neravnovesje

v prebavnem sistemu, dihalne motnje in povečano krvavenje. Pri otrocih s simptomi gripe

lahko povzroči Reyev sindrom, smrtno nevarno stanje, ki vpliva na živčni sistem in jetra

(Macdonald, 2002; Rainsford, 2004).

3.3.3 Uporaba

Acetilsalicilna kislina se uporablja pri proizvodnji analgetikov, protivnetnih zdravil,

antipiretikov, antikoagulantov in antirevmatikov. Prav tako se uporablja kot dodatek v

hrani, živalski krmi, zdravilih in kozmetiki (Rainsford, 2004).

Acetilsalicilna kislina se pogosto uporablja kot analgetik za lajšanje manjših bolečin,

predvsem glavobolov, antipiretik za zniževanje vročine in kot protivnetno zdravilo. V

manjših dozah je dolgoročno uporabna kot zaviralec srčnih napadov, kapi in krvnih

strdkov (Lewis idr., 1983; Rainsford, 2004).

3.3.4 Embalaža, skladiščenje in cena

Acetilsalicilno kislino skladiščimo v dobro zaprtih posodah, na hladnem, suhem in

zračnem prostoru. Izolirati jo moramo pred viri toplote ali vžiga (Baker, 2007). Hranimo jo

ločeno od nezdružljivih snovi, močnih oksidantov, alkalijskih hidroksidov in karbonatov

(Martindale, 1982). Stabilna je na suhem zraku, dokler se postopoma z delovanjem vlage

iz zraka ne hidrolizira na ocetno in salicilno kislino (Carstensen idr., 1985). V raztopini z

alkalnimi substancami se hidroliza odvija še hitreje ter se v čistih raztopinah lahko

popolnoma razgradi na acetate in salicilate (Martindale, 1982).

Cena kristalov acetilsalicilne kisline z, w ≥ 99 % čistostjo, znaša, Cn = 16,90 EUR za,

m = 100 g, pakiranje (Sigma-Aldrich, 2010).


MATERIALI

3.4 Surovini in stranski produkt

Surovini, ki smo ju uporabili pri sintezi acetilsalicilne kisline sta salicilna kislina in

acetanhidrid. Ocetna kislina je nastajala kot stranski produkt.

3.4.1 Salicilna kislina

Salicilna kislina (SA) je organska, 2–hidroksibenzojska kislina, s formulo C6H4(OH)COOH,

kjer je hidroksilna skupina nameščena na karboksilno skupino. Salicilno kislino lahko v

obliki estrov najdemo v številčnih rastlinah. Njeno ime izhaja iz latinskega izraza Salix, ki

predstavlja belo vrbo, iz skorje katere so prvenstveno salicilno kislino tudi pridobivali.

Njene soli in estri so salicilati (Balali-Mood, 1996).

a) Fizikalne in kemijske lastnosti

V preglednici 3 – 2 so podani podatki fizikalnih in kemijskih lastnosti salicilne kisline, če ni

navedeno drugače veljajo za kemikalijo pri standardnih pogojih, ϑ = 25 °C in p = 100 kPa.

Preglednica 3 – 2: Fizikalne in kemijske lastnosti salicilne kisline.

ρ/(g/mL) 1,443

M/(g/mol) 138,12

ϑT/°C 159

ϑV/°C 211

ϑP/°C 157

pKa 2,97

ξ20,VODA/(g/kg) 2


Barva brezbarvna ali bela

Struktura kristalinična


Okus sladkoben

Vonj brez vonja

dobro topna: alkohol, eter, kloroform, vrela voda Topnost slabo topna: voda


MATERIALI

Iz preglednice 3 – 2 lahko vidimo, da je salicilna kislina šibka organska kislina. V naravi se

nahaja v obliki brezbarvnih igličastih kristalov ali belega kristaliničnega prahu, s trpkim

sladkobnim okusom. Salicilna kislina se delno topi v vodi, bolje se topi predvsem v

alkoholu, etru in kloroformu (Balali-Mood, 1996; Sigma-Aldrich, 2010).

b) Toksičnost

Salicilna kislina ob oralnem zaužitju povzroča draženje želodca. Pri akutnem vnosu se pri

nekaterih ljudeh pojavijo alergijski izpuščaji. V stiku z večjo površino kože, se lahko

absorbira v krvni obtok in povzroči salicilizem oz. motnje osrednjega živčevja.

c) Uporaba

Salicilna kislina se pogosto uporablja v organskih sintezah in ima funkcijo rastnega

hormona. V kemiji in farmaciji se koristi za nadaljnjo sintezo spojin in zdravil, v

prehrambeni industriji pa pretežno kot konzervans ali aditiv (Balali-Mood, 1996).

Salicilna kislina se uporablja za lajšanje bolečin in za zniževanje vročine. Koristi se kot

protivnetno zdravilo (Mackowiak, 2000). Zaradi svojih zdravilnih učinkov je ključna

sestavina mnogih izdelkov za nego in čiščenje kože (Balali-Mood, 1996).

d) Embalaža, skladiščenje in cena

Salicilno kislino skladiščimo v dobro zaprtih posodah, zaščitenih pred svetlobo in viri

toplote (Balali-Mood, 1996).

Cena salicilne kisline z, w ≥ 99 % čistostjo, znaša, Cn = 13,60 EUR za, m = 100 g,

pakiranje (Sigma-Aldrich, 2010).


MATERIALI

3.4.2 Acetanhidrid

Acetanhidrid ali anhidrid ocetne kisline je derivat ocetne kisline in kemična spojina s

formulo (CH3CO)2O.


V preglednici 3 – 3 so podane fizikalne in kemijske lastnosti acetanhidrida, če ni navedeno

drugače veljajo za kemikalijo pri standardnih pogojih, ϑ = 25 °C in p = 100 kPa.

Preglednica 3 – 3: Fizikalne in kemijske lastnosti acetanhidrida.

ρ20/(g/mL) 1,08

M/(g/mol) 102,09

ϑT/°C –73

ϑV/°C 138,6

ϑP/°C 49

ξ20,VODA/(g/kg) 26

nD20 1,39


Barva brezbarvna tekočina

Vonj oster

Topnost voda, alkohol, kloroform, alkalije

Iz preglednice 3 − 3 je razvidno, da je acetanhidrid brezbarvna tekočina, ostrega vonja po

ocetni kislini. Topnost acetanhidrida v vodi pri, ϑ = 20 °C, je približno, w = 2,6 %. Ob stiku

z vodo lahko razvije strupene pline in toploto (Sigma-Aldrich, 2010; OECD SIDS, 1997).

b) Toksičnost

Acetanhidrid je jedka, vnetljiva in hlapljiva, zdravju škodljiva, tekočina. V stiku s kožo

lahko povzroči opekline. Oblačila, ki pridejo v stik z acetanhidridom je potrebno pred

ponovno uporabo temeljito razkužiti. Pri segrevanju acetanhidrida se sproščajo strupeni

plini, kot so ocetna kislina in ogljikov monoksid. Njegovi hlapi povzročajo draženje oči,

dihal in kože (OECD SIDS, 1997).


MATERIALI

c) Uporaba

Acetanhidrid se pogosto uporablja kot reagent pri organskih sintezah. Primarno se

proizvaja za uporabo v proizvodnji celuloznega acetata in sorodnih proizvodov. Kot

reagent z, w > 98 % čistostjo, se uporablja v proizvodnji farmacevtskih izdelkov. Med

drugim se koristi v proizvodnji aspirina oz. acetilsalicilne kisline, ki jo pripravimo z

acetilacijo salicilne kisline (OECD SIDS, 1997).


Acetanhidrid skladiščimo v tesno zaprtih posodah in v hladnih prostorih z ustrezno

ventilacijo. V običajnih pogojih uporabe in skladiščenja je stabilen na suhem zraku.

Acetanhidrid je potrebno shranjevati ločeno od virov toplote, isker in plamena. Toplota

prispeva k njegovi nestabilnosti. Zaradi možnosti eksplozije in požara, ga hranimo ločeno

od nezdružljivih materialov, vode, vodnih alkalij, alkoholov, glikolov, oksidirajočih snovi,

aminov in borove kisline (OECD SIDS, 1997).

Cena acetanhidrida proizvajalca Fluka z, w ≥ 99 % čistostjo, znaša, Cn = 31 EUR za

ustekleničeno, V = 1 L, pakiranje (Sigma-Aldrich, 2010).

3.4.3 Ocetna kislina

Ocetna kislina, CH3COOH, po IUPAC-ovi nomenklaturi poznana tudi kot etanojska kislina,

je šibka organska kislina. Njene soli so acetati (ChemSpider, 2011).


V preglednici 3 – 4 so podane fizikalne in kemijske lastnosti za ocetno kislino pri

standardnih pogojih, ϑ = 25 °C in p = 100 kPa.

Preglednica 3 – 4: Fizikalne in kemijske lastnosti ocetne kisline.

ρl/(g/mL) 1,049

ρs/(g/mL) 1,266

M/(g/mol) 60,05

ϑT/°C 16,5

ϑV/°C 118,1

ϑP/°C 40


MATERIALI

Preglednica 3 – 4: (nadaljevanje).

pKa 4,76

nD20 1,37

η/(mPa s) 1,22


Barva brezbarvna tekočina


Okus grenak

Vonj oster

dobro topna: voda, etanol, aceton, toluen, heksan Topnost netopna: ogljikov disulfid

Iz preglednice 3 − 4 je razvidno, da je čista ocetna kislina, t.i. ledocet, brezbarvna

tekočina, ki iz okolja absorbira vodo. Pri, ϑT = 16,5 °C, zamrzne v brezbarvne, ledu

podobne kristale, s povišano gostoto, ρs = 1,266 g/mL. Ocetna kislina ima značilen grenak

okus in oster vonj. Je šibka kislina, s kislostjo, pKa = 4,76. Dobro se raztaplja v vodi, v

ogljikovem disulfidu pa je praktično netopna (ChemSpider, 2011; Sigma-Aldrich, 2010).

b) Toksičnost

Čista in koncentrirana ocetna kislina je korozivna, zato moramo pri rokovanju z njo biti še

posebej previdni in nositi odporne rokavice iz nitrilne gume. Povzroči lahko kožne

opekline, trajno očesno okvaro in razdraženost sluznice. Opekline se lahko pojavijo šele

po nekaj urni izpostavljenosti. Tveganje je odvisno od koncentracije raztopine ocetne

kisline. Razredčena ocetna kislina je neškodljiva, vendar je zaužitje močnejše raztopine

škodljivo za življenje ljudi in živali. Povzroči lahko nešteto škode na prebavnem sistemu in

potencialno smrtonosno spremembo v kislosti krvi (ChemSpider, 2011).

c) Uporaba

Ocetna kislina je pomemben kemijski reagent in industrijska kemikalija. Uporablja se v

proizvodnji polietilen tereftalata (PET), celuloznega in polivinilnega acetata ter sintetičnih

vlaken in tkanin. V gospodinjstvu se razredčena ocetna kislina pogosto uporablja v

sredstvih proti vodnemu kamnu. V živilski industriji se koristi kot prehrambeni dodatek

E260, ki služi kot regulator kislosti in začimba (ChemSpider, 2011).


MATERIALI


Ocetno kislino hranimo v tesno zaprtih posodah in poskrbimo za dobro prezračevanje. Ne

skladiščimo je skupaj z oksidativnimi snovmi, ker z njimi burno reagira. Zaradi

nezdružljivosti je priporočljivo ocetno kislino shranjevati vstran od kromove in dušikove

kisline (ChemSpider, 2011).

Cena ocetne kisline s čistostjo, w = (99 – 100) %, znaša, Cn = 30,40 EUR za

ustekleničeno, V = 1 L, pakiranje (Sigma-Aldrich, 2010).


EKSPERIMENTALNI DEL

4 EKSPERIMENTALNI DEL

Eksperimentalni del smo izvajali v laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni

razvoj, ki deluje v okviru Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo.

4.1 Sinteza acetilsalicilne kisline

Sintezo aspirina klasificiramo kot reakcijo esterifikacije. V tej reakciji salicilni kislini kot

reaktantu dodamo acetanhidrid, ki skupaj tvorita acetilsalicilno kislino in stranski proizvod,

ocetno kislino. Pri sami reakciji se acetanhidrid veže na fenolno skupino salicilne kisline

(R−OH) in jo pretvori v acetilno skupino (R−OCOCH3). Kot katalizator lahko uporabimo

manjšo količino žveplove kisline (H2SO4), lahko tudi, w = 85 %, fosforjeve kisline (H3PO4).

Ta metoda se navadno uporablja v izobraževalnih laboratorijih srednjih in višjih šol

(Palleros, 2000). Slika 4 – 1 prikazuje reakcijo sinteze acetilsalicilne kisline.

Slika 4 – 1: Sinteza acetilsalicilne kisline.

4.1.1 Postopek sinteze acetilsalicilne kisline z acetanhidridom v prebitku

Pred pričetkom izvajanja eksperimentov smo si pripravili aparaturo. S standardnima

raztopinama natrijevega hidroksida in klorovodikove kisline smo umerili točnost aparature.

Za vsak eksperiment smo si pripravili raztopino salicilne kisline z določeno koncentracijo.

Predhodno zatehtano salicilno kislino, m = 0,72 g, smo prenesli v večjo, V = 1 L, čašo in jo

dobro raztopili v, V = 0,5 L, destilirani vodi. Eksperimente smo izvajali v termostatirani


EKSPERIMENTALNI DEL

posodi z nameščenim grelcem in šaržnim reaktorjem. Shema laboratorijske aparature je

prikazana na sliki 4 – 2. Uporabili smo šaržni reaktor z mešalom. Pred vsakim poskusom

smo na termostatu nastavili temperaturo na želeno vrednost. Kot šaržni reaktor smo

uporabili večjo čašo, V = 1 L, ki smo jo namestili v predhodno ogrevano termostatirano

posodo. V reaktor smo vstavili mešalo in elektrolitsko celico povezano s konduktometrom

ter vanj zlili pripravljeno raztopino salicilne kisline in jo termostatirali pri želeni temperaturi,

najprej pri ϑ = 25 °C. Po ustalitvi temperature smo raztopini izmerili specifično prevodnost

čiste salicilne kisline, κ0. S tem smo tudi preverili merilno območje na konduktometru. K

termostatirani raztopini v reaktorju smo nato dodali, V = 0,55 mL, acetanhidrida v prebitku,

w = 50 %. Takoj, ko je med reaktantoma, raztopino salicilne kisline in acetanhidridom,

stekla reakcija, smo pričeli s štoparico pričeli meriti čas, t. Opazovali smo spreminjanje

specifične prevodnosti, κt, v odvisnosti od časa, t. V začetku se je specifična prevodnost

raztopine, κt, spreminjala hitreje, zato smo jo merili v krajših časovnih presledkih. Po

določenem času se je specifična prevodnost, κt, ustalila in tedaj smo zaključili

eksperiment.

Eksperimente smo izvedli pri treh različnih temperaturah reakcijske zmesi, ϑ = 25 °C,

ϑ = 23 °C in ϑ = 27 °C.

Po vsakem eksperimentu smo reaktor izpraznili, dobro sprali z destilirano vodo in ga

posušili v sušilniku. Tako smo aparaturo, ki jo prikazuje slika 4 – 2, pripravili za naslednji

eksperiment.

Slika 4 – 2: Poenostavljen prikaz laboratorijske aparature.


EKSPERIMENTALNI DEL

4.1.2 Postopek sinteze acetilsalicilne kisline s salicilno kislino v prebitku

Isti postopek, kot je naveden na prejšnji strani, smo ponovili za eksperimente, kjer je bila

koncentracija salicilne kisline v prebitku. V destilirani vodi, V = 0,5 L, smo raztopili manjšo

količino, V = 0,25 mL, acetanhidrida. Raztopino smo termostatirali v reaktorju pri

temperaturi, ϑ = 26 °C. Dodali smo ji, m = 0,72 g, salicilne kisline z, w = 90%, prebitkom.

Začetna koncentracija acetanhidrida, cB0, je bila 0,009 mol/L. Eksperimente smo izvedli pri

treh različnih temperaturah reakcijske zmesi, ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

4.2 Kristalizacija acetilsalicilne kisline

Po sintezi organske spojine, moramo acetilsalicilno kislino ločiti od stranskega proizvoda,

ocetne kisline. To storimo s postopkom kristalizacije.

Kristalizacija je tehnika ločevanja in čiščenja, ki se uporablja za pripravo različnih

materialov. Kristalizacijo lahko opredelimo kot fazno spremembo, kjer iz raztopine

pridobimo kristale. Raztopina predstavlja mešanico dveh ali več vrst, ki skupaj tvorijo

homogeno fazo. Raztopine se običajno nanašajo na tekočine, čeprav lahko vključujejo

tudi trdnine in celo pline. Termin raztopina se nanaša na tekočino, ki sestoji iz topila, v

tekočem stanju in topljenca, ki je trdnina (Myerson, 2002).

Raztopina lahko pri določeni temperaturi vsebuje točno določeno množino raztopljene

snovi. Ta množina snovi se imenuje ravnotežna množina potrebna za tvorbo nasičene

raztopine, koncentracija te nasičene raztopine pa nasičena koncentracija.

Vsak postopek kristalizacije sestoji iz dveh glavnih faz, tvorbe kristalnih jeder in rasti

kristalov. Obe sta odvisni od stopnje prenasičenosti raztopine. Tvorba kristalnih jeder je

faza, kjer se molekule topljenca, ki so dispergirane v topilu, začno zbirat v gmote. Stabilne

gmote, ki dosežejo kritično velikost, tvorijo jedra, medtem ko se nestabilne ponovno

raztopijo. Kritična velikost je odvisna predvsem od temperature in prenasičenosti

raztopine. V fazi tvorbe kristalnih jeder se atomi razporedijo v določeno in periodično

mrežo, ki opredeli kristalno strukturo (Myerson, 2002).

Rast kristalov je posledično rast jeder, ki uspejo doseči kritično velikost gmote. Tvorba

kristalnih jeder in rast kristalov se pojavi postopoma med obstojem prenasičenosti

raztopine, ki je gonilna sila kristalizacije. Postopek kristalizacije je zaključen, ko sistem

trdo–tekoče doseže ravnotežje. Mnoge spojine imajo sposobnost, da kristalizirajo z

različnimi kristalnimi strukturami. Ta fenomen imenujemo polimorfizem, ki je izrednega

pomena v industrijski proizvodnji kristaliničnih izdelkov. Tvorjena kristalna oblika je torej


EKSPERIMENTALNI DEL

odvisna predvsem od vrste raztopine, stopnje prenasičenja, temperature in viskoznosti

medija. Na velikost in obliko kristalov lahko močno vplivamo z zunanjimi pogoji, pod

katerimi poteka kristalizacija. Nadzor nad obliko in velikostjo kristalov, predstavlja enega

večjih izzivov v industrijski proizvodnji. Za dosego zahtevane velikosti in obliko kristalov

končnih izdelkov, moramo natančno upoštevati delovne predpise (Myerson, 2002).

Do pojava kristalizacije pride šele takrat, ko je raztopina prenasičena (Tung idr, 2009). To

pomeni, da mora raztopina vsebovati več raztopljenih delcev topljenjca, kot bi jih

vsebovala v ravnotežju. To lahko dosežemo z različnimi metodami. Najpogostejše

metode, ki se uporabljajo v industrijski praksi so: hlajenje raztopine, dodatek drugega

topila za zmanjšanje topnosti topljenjca, kemična reakcija, sprememba pH in uparevanje

topila.

Uparjanje (uparjalna kristalizacija). Pri tej vrsti kristalizacije del topila iz raztopine izparimo,

tako da je snov v preostalem topilu prenasičena.

Ohlajevanje (kristalizacija z ohlajanjem). Pri nižjih temperaturah je običajno koncentracija

nasičene raztopine nižja kot pri višji temperaturi. Z ohlajevanjem nasičene raztopine

dosežemo področje prenasičene raztopine.

Z razpenjanjem v vakuumu in istočasno ohladitvijo (vakuumska kristalizacija). Pri tem

postopku izpari del topila zaradi razpenjanja v vakuumu in se ohladi zato, ker odvzema

toploto, potrebno za uparjanje direktno raztopini, ki je pod vakuumom.

Katero izmed omenjenih vrst kristalizacije bomo uporabili, je odvisno od obnašanja

raztopine. Pri močnejši temperaturni odvisnosti bomo uporabili predvsem kristalizacijo s

hlajenjem. Pri manjši razliki v topnosti bomo uporabili predvsem uparjalno kristalizacijo.

Vakuumska kristalizacija je zaradi uparjanja pri nižjih temperaturah primerna za

izkristaliziranje temperaturno občutljivejših snovi (Tung idr, 2009).

4.2.1 Postopek kristalizacije acetilsalicilne kisline

Pri našem eksperimentu smo uporabili kristalizacijo z ohlajanjem. Po poteku reakcije smo

reakcijsko zmes iz čaše prenesli v erlenmajerico. Reakcijski zmesi smo dodali manjšo

količino destilirane vode, da je reagirala z morebitnim preostalim acetanhidridom in jo nato

pustili, da se je nekaj časa ohlajala na zraku. Iz nje so se počasi začeli izločati kristali

acetilsalicilne kisline. Ta postopek smo kasneje pospešili s hlajenjem erlenmajerice v

ledeni kopeli. Ledeno kopel smo pripravili tako, da smo večjo čašo napolnili do dveh tretjin

z zdrobljenim ledom. Vanjo smo postavili erlenmajerico z reakcijsko zmesjo in jo ohlajali

tako dolgo, dokler se iz zmesi niso izločili vsi kristali.


EKSPERIMENTALNI DEL

4.3 Sušenje in čiščenje acetilsalicilne kisline

Za čiščenje acetilsalicilne kisline uporabimo postopek prekristalizacije. Čiščenje

uporabljamo za pridobivanje zelo čiste snovi in preverjanje njene čistosti. S predhodno

kristalizacijo ločimo proizvod od preostale raztopine, pogosto v zelo čisti obliki. To storimo

z ohlajanjem raztopine ali dodatkom oboril, ki znižujejo topnost želenega izdelka, tako da

tvori kristale. Lepo oblikovani kristali naj bi bili čisti. Ob zapuščanju raztopine, se mora

vsaka molekula ali ion odlično prilegati v kristalni mreži. Nečistoče se običajno ne uredijo

lepo v kristalno mrežo in tako prednostno ostanejo v raztopini. Zatorej je molekularno

prepoznavanje postopek čiščenja v kristalizaciji. Obstajajo tudi primeri, kjer se nečistoče

vključijo v mrežo, in tako znižajo stopnjo čistosti končnega kristaliničnega izdelka. V

nekaterih primerih se lahko v mrežo vključi topilo, ki je lahko ujeto v oblikovanem kristalu.

Ta fenomen imenujemo vključenost. S postopkom prekristalizacije torej odstranimo

netopne nečistoče in končno izkristaliziramo čisto trdno snov (Myerson, 2002).

4.3.1 Postopek sušenja in čiščenja acetilsalicilne kisline

Acetilsalicilna kislina se ne topi v ledeni vodi, zato smo jo lahko izolirali s postopkom

filtracije. Hladno zmes smo prefiltrirali z Büchnerjevim lijem, v katerega smo namestili

svež filtrirni papir. Zmes smo izprali z majhno količino, V = 2mL, ledeno hladne destilirane

vode. Filtrirni papir s produktom smo nato prenesli na urno steklo in ga posušili na zraku.

Slika 4 – 3 prikazuje sintetizirane kristale acetilsalicilne kisline.

Slika 4 – 3: Kristali acetilsalicilne kisline.


EKSPERIMENTALNI DEL

Neočiščeni produkt smo prekristalizirali tako, da smo ga prenesli v, V = 100 mL, čašo ter

mu dodali mešanico, V = 20 mL destilirane vode in V = 1 mL etanola. Prekristalizirane

kristale smo odnučali in sprali z malo ledeno hladne destilirane vode. Filtrirni papir s čistim

produktom smo prenesli na urno steklo in ga posušili na zraku. Kot končen produkt

čiščenja smo dobili bele, igličasto oblikovane kristale acetilsalicilne kisline (slika 4 – 3).


REZULTATI

5 REZULTATI

Med reaktantoma, salicilno kislino in acetanhidridom, je potekla reakcija esterifikacije:

HOC6H4COOH + (CH3CO)2O ↔ H3CCOOC6H4COOH + CH3COOH (5.1)

5.1 Sinteza acetilsalicilne kisline z acetanhidridom v prebitku

V prvih treh eksperimentalnih poskusih, kjer smo dodali acetanhidrid v, w = 50 %,

prebitku, smo opazovali potek reakcije glede na salicilno kislino, ki je bila ključni reaktant.

5.1.1 Določanje koncentracije in presnove salicilne kisline

Potek reakcije (5.1) v šaržnem reaktorju smo zasledovali z merjenjem specifične

prevodnosti, κt, v odvisnosti od časa, t (preglednica 5 – 1). Kot stranski proizvod sinteze

aspirina je nastajala ocetna kislina. Prevodnost ocetne kisline, κC, smo določili po enačbi:

0tC κκκ −= , (5.2)

kjer so: κC – specifična prevodnost ocetne kisline, S/m,

κt – izmerjena specifična prevodnost, S/m,

κ0 – specifična prevodnost čiste salicilne kisline, S/m.

Pri temperaturi, ϑ = 25 °C, molarna prevodnost ocetne kisline pri neskončnem

razredčenju, omΛ , znaša 39,05 mS m2/mol, njena disociacijska konstanta, Ka, pa 1,75 ⋅ 10–5

(Atkins, 1998). Te vrednosti smo upoštevali pri naših izračunih. Eksperiment smo izvajali

tako dolgo, dokler nismo opazili, da se je specifična prevodnost začela postopoma

ustaljevati. Po končanih meritvah prevodnosti, smo na podlagi že znanih podatkov,

molarne prevodnosti, omΛ , in disociacijske konstante, Ka, ocetne kisline, izračunali:

stopnjo disociacije, α, iz en. (2.9)

koncentracijo ocetne kisline, cC, iz en. (2.8)


REZULTATI

Koncentracijo zreagirane salicilne kisline, cA(zreag.), smo izračunali z uporabo enačbe:

CA(zreag.) cc = , (5.3)

kjer so: cA(zreag.) – molarna koncentracija zreagirane salicilne kisline, mol/L,

cC – molarna koncentracija ocetne kisline, mol/L.

Začetna koncentracija salicilne kisline pri vseh treh eksperimentih, kjer je bil acetanhidrid

v, w = 50 %, prebitku, je bila, cA0 = 0,0104 mol/L. Izračunali smo jo po enačbi:

VM

mc

⋅=A0 , (5.4)

kjer so: cA0 – začetna koncentracija salicilne kisline, mol/L,

m – zatehtana masa salicilne kisline, g,

M – molska masa salicilne kisline, g/mol,

V – volumen destilirane vode, L.

Za izračun koncentracije nezreagirane salicilne kisline smo uporabili enačbo:

A(zreag.)A0A)A(nezreag. cccc −== , (5.5)

kjer so: cA(nezreag.) – molarna koncentracija nezreagirane salicilne kisline, mol/L,

cA – molarna koncentracija salicilne kisline, mol/L,

cA0 – začetna molarna koncentracija salicilne kisline, mol/L,

cA(zreag.) – molarna koncentracija zreagirane salicilne kisline, mol/L.

Presnova, XA, predstavlja del reaktanta, ki je zreagiral glede na začetno koncentracijo

(Levenspiel, 1998). Presnovo salicilne kisline, XA, smo izračunali po enačbi:

A0

AA0A

c

ccX

−= , (5.6)

kjer je: XA – presnova salicilne kisline.

cA – molarna koncentracija salicilne kisline, mol/L,

cA0 – začetna molarna koncentracija salicilne kisline, mol/L.


REZULTATI

V preglednici 5 – 1 so podani eksperimentalni podatki in izračuni sinteze acetilsalicilne

kisline pri temperaturi, ϑ = 25 °C.


t/min κ/(S/m) cC/(mol/L) cA/(mol/L) XA

0 0,1236 0 0,0104 0 1,03 0,1268 0,0005 0,0099 0,045 1,37 0,1273 0,0006 0,0098 0,058 1,58 0,1277 0,0007 0,0097 0,071 1,82 0,1280 0,0008 0,0096 0,081 2,15 0,1285 0,0010 0,0094 0,099 2,50 0,1289 0,0012 0,0092 0,114 2,88 0,1294 0,0014 0,0090 0,135 3,28 0,1298 0,0016 0,0088 0,154 3,42 0,1300 0,0017 0,0087 0,163 3,87 0,1304 0,0019 0,0085 0,183 4,22 0,1308 0,0021 0,0083 0,205 4,57 0,1311 0,0023 0,0081 0,221 4,73 0,1313 0,0024 0,0080 0,233 5,28 0,1317 0,0027 0,0077 0,256 5,67 0,1320 0,0029 0,0075 0,275 6,07 0,1323 0,0031 0,0073 0,294 6,50 0,1326 0,0033 0,0071 0,314 7,15 0,1330 0,0036 0,0068 0,342 7,67 0,1333 0,0038 0,0066 0,363 8,12 0,1336 0,0040 0,0064 0,385 8,80 0,1339 0,0042 0,0062 0,408 9,37 0,1342 0,0045 0,0059 0,431 9,77 0,1344 0,0046 0,0058 0,447

10,40 0,1346 0,0048 0,0056 0,463 10,85 0,1348 0,0050 0,0054 0,480 12,08 0,1352 0,0053 0,0051 0,513 13,28 0,1355 0,0056 0,0048 0,540 14,82 0,1359 0,0060 0,0044 0,575 16,65 0,1362 0,0063 0,0041 0,603 19,33 0,1366 0,0067 0,0037 0,641 21,83 0,1369 0,0070 0,0034 0,670


REZULTATI

Slika 5 – 1 prikazuje odvisnost koncentracije salicilne kisline, cA, od časa, t, pri

temperaturi, ϑ = 25 °C.

Slika 5 – 1: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) pri ϑ = 25 °C.

Iz slike 5 – 1 je razvidno, da koncentracija salicilne kisline, cA, pada s časom, t. Slika 5 – 2

prikazuje graf spreminjanja stopnje presnove salicilne kisline, XA, v odvisnosti od časa, t,

pri temperaturi, ϑ = 25 °C.

Slika 5 – 2: Graf spreminjanja presnove, XA, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 25 °C.

Iz slike 5 – 2 je razvidno, da presnova salicilne kisline, XA, narašča s časom, t.


REZULTATI

Eksperiment smo po istem postopku ponovili pri temperaturah, ϑ = 23 °C in ϑ = 27 °C.

Meritve in rezultate izračunov pri temperaturi, ϑ = 23 °C smo podali v preglednici 5 – 2.



0 0,1154 0 0,0104 0 1,03 0,1167 0,0001 0,0103 0,009 1,23 0,1170 0,0001 0,0103 0,013 1,48 0,1173 0,0002 0,0102 0,018 1,88 0,1180 0,0003 0,0101 0,031 2,33 0,1187 0,0005 0,0099 0,047 2,53 0,1189 0,0005 0,0099 0,053 2,98 0,1195 0,0007 0,0097 0,071 3,37 0,1200 0,0009 0,0095 0,088 3,77 0,1204 0,0011 0,0093 0,102 4,10 0,1208 0,0012 0,0092 0,118 4,38 0,1211 0,0014 0,0090 0,131 4,55 0,1213 0,0015 0,0089 0,140 4,88 0,1216 0,0016 0,0088 0,154 5,17 0,1219 0,0017 0,0087 0,168 5,48 0,1222 0,0019 0,0085 0,183 6,02 0,1227 0,0022 0,0082 0,210 6,42 0,1231 0,0024 0,0080 0,233 6,98 0,1236 0,0027 0,0077 0,262 7,45 0,1239 0,0029 0,0075 0,281 7,72 0,1241 0,0031 0,0073 0,294 8,40 0,1246 0,0034 0,0070 0,328 8,68 0,1248 0,0036 0,0068 0,342 9,25 0,1251 0,0038 0,0066 0,363 9,83 0,1254 0,0040 0,0064 0,385

10,45 0,1257 0,0042 0,0062 0,408 10,63 0,1258 0,0043 0,0061 0,415 11,35 0,1261 0,0046 0,0058 0,439 12,33 0,1265 0,0049 0,0055 0,471 13,58 0,1270 0,0053 0,0051 0,513 15,53 0,1277 0,0060 0,0044 0,575 18,00 0,1284 0,0067 0,0037 0,641 21,17 0,1290 0,0073 0,0031 0,700 25,17 0,1295 0,0078 0,0026 0,751


REZULTATI

V preglednici 5 – 3 so podane meritve in rezultati izračunov eksperimenta pri temperaturi,

ϑ = 27 °C.



0 0,1259 0 0,0104 0 1,02 0,1305 0,0009 0,0095 0,088 1,37 0,1313 0,0012 0,0092 0,118 1,77 0,1322 0,0016 0,0088 0,159 2,15 0,1331 0,0021 0,0083 0,205 2,43 0,1336 0,0024 0,0080 0,233 2,68 0,1340 0,0027 0,0077 0,256 3,00 0,1346 0,0031 0,0073 0,294 3,28 0,1350 0,0033 0,0071 0,321 3,45 0,1353 0,0036 0,0068 0,342 3,97 0,1360 0,0041 0,0063 0,392 4,43 0,1366 0,0046 0,0058 0,439 4,82 0,1370 0,0049 0,0055 0,471 5,15 0,1374 0,0053 0,0051 0,505 5,50 0,1377 0,0055 0,0049 0,531 6,00 0,1381 0,0059 0,0045 0,566 6,47 0,1385 0,0063 0,0041 0,603 6,97 0,1389 0,0067 0,0037 0,641 7,60 0,1393 0,0071 0,0033 0,680 8,47 0,1398 0,0076 0,0028 0,730 9,30 0,1402 0,0080 0,0024 0,772 9,75 0,1404 0,0083 0,0021 0,793

10,38 0,1407 0,0086 0,0018 0,826 11,40 0,1410 0,0089 0,0015 0,859 12,32 0,1413 0,0093 0,0011 0,892 13,17 0,1415 0,0095 0,0009 0,915 14,02 0,1417 0,0098 0,0006 0,938 14,98 0,1419 0,0100 0,0004 0,962 16,30 0,1421 0,0102 0,0002 0,986 17,60 0,1422 0,0104 0,0000 0,997


REZULTATI

Na sliki 5 – 3 smo podali krivulje koncentracije salicilne kisline, cA, v odvisnosti od časa, t,

pri vseh treh eksperimentalnih temperaturah, ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.

Slika 5 – 3: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.

Iz slike 5 – 3 je razvidno, da koncentracija salicilne kisline, cA, pada s časom, t, in z

naraščajočo temperaturo, ϑ. Na sliki 5 – 4 smo podali graf s krivuljami stopnje presnove

salicilne kisline, XA, v odvisnosti od časa, t, pri temperaturah, ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ =

27 °C.

Slika 5 – 4: Graf XA v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.


REZULTATI

Iz slike 5 – 4 je razvidno, da presnova ključnega reaktanta, XA, v odvisnosti od časa, t,

narašča s temperaturo, ϑ .

5.1.2 Določitev reda reakcije salicilne kisline

Za določitev reda reakcije smo uporabili en. (2.17). Pri določevanju reda reakcije smo

upoštevali le začetne meritve, v časovnem razponu, t = (1–10) min. Na samem začetku še

snov ni bila homogena. Po, t = 10 min se je začela specifična prevodnost, κt, ustaljevati,

zato nadaljnjih meritev pri izračunu reda reakcije nismo upoštevali. Red reakcije smo

določili grafično iz naklona premice ln (cA0/cA) = f(t). Graf ln (cA0/cA) kot funkcije časa, t,

nam da linearno premico (slika 5 – 5), kar sugerira, da je reakcija prvega reda, glede na

koncentracijo salicilne kisline, cA, pod danimi reakcijskimi pogoji ob, w = 50 %, prebitku

acetanhidrida. Naklon premice predstavlja konstanto proizvodnosti, k. Pri temperaturi,

ϑ = 25 °C, je konstanta proizvodnosti, k, znašala 0,0582 min-1.

Slika 5 – 5: Graf ln (cA0/cA) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 25 °C.

Iz grafične ponazoritve podatkov je razvidno, da je reakcija prvega reda pri vseh treh

eksperimentalnih temperaturah, ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C in pri enakih reakcijskih

pogojih, ob prebitku acetanhidrida. Grafa ln (cA0/cA) = f(t) pri ϑ = 23 °C in ϑ = 27 °C smo

podali v prilogi A.9. Iz krivulj smo odčitali naklon premic oz. konstante proizvodnosti, k, ki

so podane v preglednici 5 – 4.


REZULTATI

Preglednica 5 – 4: Konstanta proizvodnosti, k, pri ϑ = 23 °C, ϑ = 25 °C in ϑ = 27 °C.

ϑ/°C T/K k/min–1

23 296,15 0,0442 25 298,15 0,0582 27 300,15 0,1491

Iz preglednice 5 – 4 vidimo, da konstanta proizvodnosti, k, narašča s temperaturo, ϑ.

5.2 Sinteza acetilsalicilne kisline s salicilno kislino v prebitku

V eksperimentalnih poskusih, kjer smo dodali salicilno kislino v, w = 90 %, prebitku, smo

opazovali potek reakcije glede na acetanhidrid, ki je bil ključni reaktant.

5.2.1 Določanje koncentracije in presnove acetanhidrida

V šaržnem reaktorju smo zasledovali potek reakcije (5.1) z merjenjem specifične

prevodnosti, κt, v odvisnosti od časa, t (preglednica 5 – 5).

Začetna koncentracija acetanhidrida pri vseh treh eksperimentih, s salicilno kislino v

prebitku, je bila, cB0 = 0,009 mol/L. Množino acetanhidrida, n, smo izračunali po enačbi:

M

Vn

⋅=

ρ, (5.7)

kjer so: n – množina acetanhidrida, mol,

ρ – gostota acetanhidrida, g/mL,

V – volumen dodanega acetanhidrida, mL,

M – molska masa ocetne kisline, g/mol.

Začetno koncentracijo acetanhidrida, cB0, smo izračunali po enačbi:

V

nc =B0 , (5.8)

kjer so: cB0 – začetna koncentracija acetanhidrida, mol/L,

n – množina acetanhidrida, mol,

V – volumen destilirane vode, L.


REZULTATI

Za izračun stopnje disociacije, α, koncentracije, c, in prevodnosti, κC, šibkega elektrolita,

ocetne kisline, smo uporabili en. (2.8), (2.9) in (5.2). Pri izračunih smo uporabili tudi en.

(5.3), (5.5) in (5.6), le da smo koncentracije salicilne kisline, cA, nadomestili s

koncentracijami acetanhidrida, cB. Pri tem smo, kot končni rezultat izračunov, dobili

presnovo acetanhidrida, XB. V preglednici 5 – 5 so podani eksperimentalni podatki in

izračuni sinteze acetilsalicilne kisline pri temperaturi, ϑ = 24 °C, pri čemer je salicilna

kislina v, w = 90 %, prebitku.


t/min κ/(S/m) cC/(mol/L) cB/(mol/L) XB

0 0,1222 0 0,0090 0 1,13 0,1247 0,0003 0,0087 0,033 1,42 0,1251 0,0004 0,0086 0,043 1,65 0,1254 0,0005 0,0085 0,052 1,93 0,1258 0,0006 0,0084 0,064 2,15 0,1261 0,0007 0,0083 0,074 2,38 0,1263 0,0007 0,0083 0,082 2,60 0,1266 0,0008 0,0082 0,093 2,83 0,1268 0,0009 0,0081 0,101 3,00 0,1270 0,0010 0,0080 0,110 3,28 0,1273 0,0011 0,0079 0,123 3,75 0,1277 0,0013 0,0077 0,142 4,20 0,1281 0,0015 0,0075 0,162 4,70 0,1285 0,0016 0,0074 0,183 5,62 0,1291 0,0020 0,0070 0,218 6,25 0,1295 0,0022 0,0068 0,243 6,77 0,1298 0,0024 0,0066 0,262 7,15 0,1300 0,0025 0,0065 0,276 7,50 0,1302 0,0026 0,0064 0,289 7,95 0,1304 0,0027 0,0063 0,303 8,63 0,1307 0,0029 0,0061 0,325 9,32 0,1310 0,0031 0,0059 0,347 9,77 0,1312 0,0033 0,0057 0,363

10,68 0,1315 0,0035 0,0055 0,387 11,48 0,1318 0,0037 0,0053 0,411 12,70 0,1321 0,0039 0,0051 0,436 13,50 0,1323 0,0041 0,0049 0,453 14,15 0,1325 0,0042 0,0048 0,471 15,03 0,1327 0,0044 0,0046 0,489 15,98 0,1329 0,0046 0,0044 0,507


REZULTATI

Slika 5 – 6 prikazuje graf spreminjanja koncentracije acetanhidrida, cB, v odvisnosti od

časa, t, pri temperaturi, ϑ = 24 °C.

Slika 5 – 6: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) pri ϑ = 24 °C.

Iz slike 5 – 6 je razvidno, da koncentracija acetanhidrida, cB, pada s časom, t. Slika 5 – 7

prikazuje graf spreminjanja stopnje presnove acetanhidrida, XB, v odvisnosti od časa, t, pri

temperaturi, ϑ = 24 °C.

Slika 5 – 7: Graf spreminjanja presnove, XB, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 24 °C.

Iz slike 5 – 7 je razvidno, da presnova acetanhidrida, XB, narašča s časom, t.


REZULTATI

Eksperiment smo po istem postopku ponovili še pri temperaturah, ϑ = 22 °C in ϑ = 26 °C.

Meritve in rezultate smo podali v preglednicah 5 – 6 in 5 – 7. V preglednici 5 – 6 so

podane meritve in rezultati izračunov eksperimenta pri temperaturi, ϑ = 22 °C.



0 0,1146 0 0,0090 0 1,20 0,1160 0,0001 0,0089 0,012 1,35 0,1162 0,0001 0,0089 0,015 1,63 0,1163 0,0002 0,0088 0,017 2,10 0,1166 0,0002 0,0088 0,022 2,25 0,1168 0,0002 0,0088 0,026 2,43 0,1169 0,0003 0,0087 0,029 2,65 0,1171 0,0003 0,0087 0,033 2,77 0,1172 0,0003 0,0087 0,036 3,10 0,1175 0,0004 0,0086 0,043 3,28 0,1177 0,0004 0,0086 0,049 3,50 0,1178 0,0005 0,0085 0,052 3,68 0,1179 0,0005 0,0085 0,055 3,97 0,1182 0,0006 0,0084 0,064 4,53 0,1186 0,0007 0,0083 0,078 4,83 0,1188 0,0008 0,0082 0,085 5,15 0,1190 0,0008 0,0082 0,093 6,42 0,1196 0,0011 0,0079 0,118 7,72 0,1202 0,0013 0,0077 0,147 8,77 0,1206 0,0015 0,0075 0,167 9,58 0,1209 0,0016 0,0074 0,183

10,10 0,1211 0,0017 0,0073 0,194 10,78 0,1213 0,0019 0,0071 0,206 11,52 0,1215 0,0020 0,0070 0,218 13,07 0,1219 0,0022 0,0068 0,243 13,97 0,1221 0,0023 0,0067 0,256 14,77 0,1223 0,0024 0,0066 0,269 15,97 0,1226 0,0026 0,0064 0,289 16,75 0,1227 0,0027 0,0063 0,296 17,45 0,1228 0,0027 0,0063 0,303


REZULTATI

V preglednici 5 – 7 so podane meritve in rezultati izračunov eksperimenta pri temperaturi,

ϑ = 26 °C.



0 0,1144 0 0,0090 0 1,02 0,1163 0,0002 0,0088 0,020 1,25 0,1166 0,0002 0,0088 0,026 1,80 0,1174 0,0004 0,0086 0,046 2,20 0,1179 0,0005 0,0085 0,061 2,55 0,1183 0,0007 0,0083 0,074 3,17 0,1190 0,0009 0,0081 0,101 3,52 0,1193 0,0010 0,0080 0,114 3,92 0,1197 0,0012 0,0078 0,132 4,32 0,1201 0,0014 0,0076 0,151 4,82 0,1206 0,0016 0,0074 0,178 5,28 0,1210 0,0018 0,0072 0,200 5,95 0,1216 0,0021 0,0069 0,236 6,47 0,1220 0,0024 0,0066 0,262 6,98 0,1224 0,0026 0,0064 0,289 7,43 0,1227 0,0028 0,0062 0,310 8,23 0,1232 0,0031 0,0059 0,347 8,68 0,1235 0,0033 0,0057 0,371 9,20 0,1238 0,0036 0,0054 0,395 9,53 0,1240 0,0037 0,0053 0,411 9,88 0,1242 0,0038 0,0052 0,428

10,50 0,1245 0,0041 0,0049 0,453 11,13 0,1248 0,0043 0,0047 0,480 12,03 0,1252 0,0046 0,0044 0,516 12,43 0,1254 0,0048 0,0042 0,535 12,95 0,1256 0,0050 0,0040 0,554 13,75 0,1259 0,0053 0,0037 0,583 14,43 0,1261 0,0054 0,0036 0,603 14,70 0,1262 0,0055 0,0035 0,613 15,28 0,1264 0,0057 0,0033 0,634


REZULTATI

Na sliki 5 – 8 smo podali krivulje koncentracije acetanhidrida, cB, v odvisnosti od časa, t,

pri vseh treh eksperimentalnih temperaturah, ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

Slika 5 – 8: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) pri ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

Iz slike 5 – 8 je razvidno, da koncentracija acetanhidrida, cB, pada s časom, t, in z

naraščajočo temperaturo, ϑ. Na sliki 5 – 9 smo podajali graf s krivuljami stopnje presnove

acetanhidrida, XB, v odvisnosti od časa, t, pri temperaturah, ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26

°C.

Slika 5 – 9: Graf XB v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.


REZULTATI

Iz slike 5 – 9 je razvidno, da presnova ključnega reaktanta, XB, v odvisnosti od časa, t,

narašča s temperaturo, ϑ .

5.2.2 Določitev reda reakcije acetanhidrida

Z uporabo en. (2.18) smo izračunali potrebne podatke za grafično ponazoritev prvega

reda reakcij. Grafični prikaz ln (cB0/cB) v odvisnosti od časa, t, nam da linearno premico

(slika 5 – 10). Iz tega sklepamo, da je pri danih reakcijskih pogojih in ob prebitku salicilne

kisline, glede na koncentracijo acetanhidrida, reakcija prvega reda. Naklon premice

ponazarja konstanto proizvodnosti, k. Iz slike 5 – 10 je razvidno, da konstanta

proizvodnosti, k, za dano temperaturo, ϑ = 24 °C, znaša 0,0446 min-1.

Slika 5 – 10: Graf ln (cB0/cB) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 24 °C.

Rezultati so pokazali, da je reakcija prvega reda pri vseh treh eksperimentalnih

temperaturah, ϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C in pri enakih reakcijskih pogojih. Grafa

1/cB = f(t) pri ϑ = 22 °C in ϑ = 26 °C smo podali v prilogi B.9. V preglednici 5 – 8 so

podane konstante proizvodnosti, k, ki smo jih odčitali iz naklonov premic.

Preglednica 5 – 8: Konstanta proizvodnosti, k, priϑ = 22 °C, ϑ = 24 °C in ϑ = 26 °C.

ϑ/°C T/K k/min–1

22 295,15 0,0197 24 297,15 0,0446 26 299,15 0,0509


REZULTATI

Iz preglednice 5 – 8 je razvidno, da z višanjem temperature, ϑ, narašča konstanta

proizvodnosti, k.

5.3 Določitev aktivacijske energije reakcije

Iz podatkov v preglednici 5 – 8 in prilogi B.9.3 smo določili aktivacijsko energijo reakcije.

Z logaritmiranjem Arrheniusove en. (2.21) dobimo izraz:

TR

Ekk

⋅−= a

0lnln , (5.9)

kjer so: k – konstanta proizvodnosti, min–1

k0 – predeksponentni faktor, min–1

Ea – aktivacijska energija reakcije, J/mol,

R – splošna plinska konstanta, J/(mol K),

T – absolutna temperature reakcije, K.

En. (5.9) predstavlja na enačbo premice (x = 1/T, y = ln k) z naklonom, –Ea/R, in odsekom

na y osi, ln k0.

Graf ln k = f(1/T) nam mora dati ravno linijo. Naklon premice je sorazmeren z aktivacijsko

energijo, Ea. Iz slike 5 – 11 odčitamo naklon premice, –Ea/R.

Slika 5 – 11: Graf ln k = f(1/T).


REZULTATI

Odsek premice na y osi grafa ln k = f(1/T) na sliki 5 – 11, predstavlja naravni logaritem

predeksponentnega faktorja, k0, ki ga izrazimo z enačbo:

ln k0 = 67,291 min–1 (5.10)

Z antilogaritmiranjem en. (5.10) izračunamo vrednost predeksponentnega faktorja kot:

k0 = e67,291 min–1 = 1,67 ⋅ 1029 min–1 (5.11)

Iz naklona premice na sliki 5 – 11 izračunamo aktivacijsko energijo, Ea, po sledeči enačbi:

naklon = – Ea/R = –20,987 ⋅ 103 K, (5.12)

kjer je: R – splošna plinska konstanta, J/(mol K).

Iz en. (5.12) nato izrazimo aktivacijsko energijo, Ea:

Ea = 20,987 ⋅ 103 K ⋅ 8,314 J/(mol K) = 174,5 kJ/mol. (5.13)

Aktivacijska energija reakcije znaša 174,5 kJ/mol.

5.4 Določitev reda reakcije sinteze acetilsalicilne kisline

Iz en. (2.12) izrazimo proizvodnost salicilne kisline, rA, kot:

1B

1AA cckr ⋅⋅=− , (5.14)


k – konstanta proizvodnosti za 2. red reakcije, L/(mol min),



Iz en. (5.14) vidimo, da reakcija med salicilno kislino in acetanhidridom poteka po kinetiki

2. reda. Eksponente v en. (5.14) lahko zanemarimo in enačbo sinteze acetilsalicilne

kisline na splošno podamo z enačbo:

BAA cckr ⋅⋅=− (5.15)


REZULTATI


RAZPRAVA

6 RAZPRAVA

Namen diplomske naloge je bil sintetizirati acetilsalicilno kislino in določiti red po katerem

poteka reakcija. Sintezo acetilsalicilne kisline smo izvedli z reakcijo esterifikacije med

salicilno kislino in acetanhidridom. Kemijsko kinetiko reakcije smo določili na osnovi

merjenja specifične prevodnosti šibkega elektrolita, ocetne kisline, v odvisnosti od časa.

Eksperimente smo izvajali v mešalnem šaržnem reaktorju pri šestih različnih

temperaturah. Po končanih eksperimentalnih meritvah smo s postopkom kristalizacije

ločili acetilsalicilno kislino od stranskega proizvoda. Temu je sledil postopek sušenja in

čiščenja izločenih kristalov acetilsalicilne kisline. Kot rezultat sinteze smo dobili bele,

igličasto oblikovane kristale acetilsalicilne kisline.

V vseh eksperimentalnih poskusih je specifična prevodnost ocetne kisline s časom

naraščala, kajti med potekom reakcije je nastajalo vedno več produkta, medtem ko je

koncentracija salicilne kisline oz. acetanhidrida upadala. Višja kot je bila temperatura,

hitreje se je porabljala koncentracija salicilne kisline oz. acetanhidrida, kar lahko vidimo na

slikah 5 – 3 in 5 – 8.

Iz meritev in izračunov je razvidno, da je presnova ključnega reaktanta, XA oz. XB, odvisna

od temperature. In sicer, višja kot je temperatura, večja je presnova ključnega reaktanta,

salicilne kisline oz. acetanhidrida. Rezultati meritev so pokazali, da se presnova ključnega

reaktanta povečuje s časom ter se po določenem času ustali in skoraj ne narašča več. Iz

skupnega diagrama na sliki 5 – 4 vidimo, da je vrednost presnove salicilne kisline, pri

različnih temperaturah in pri enakem reakcijskem času, različna. Pri ϑ = 27 °C se

presnova salicilne kisline približa maksimalni, XA = 99,7 %, vrednosti. Pri poskusih, ko

smo imeli salicilno kislino v prebitku in smo opazovali odvisnost presnove acetanhidrida

od temperature, je presnova pri najvišji temperaturi, ϑ = 26 °C, linearno naraščala s

časom, kar lahko vidimo na sliki 5 – 9.

Na začetku je reakcijska zmes nehomogena, zato natančnost ni zanesljiva. Iz tega

razloga pri določevanju reda reakcije nismo upoštevali začetne meritve v časovnem

intervalu, t = (0–1) min. Z grafično ponazoritvijo spreminjanja ln (cA0/cA) in ln (cB0/cB) od

časa, t, smo prišli do ugotovitve, da sta reakciji psevdo prvega reda, saj dobimo v obeh


RAZPRAVA

primerih linearne premice. Konstante proizvodnosti smo odčitali iz naklonov premic. Iz slik

5 – 5 in 5 – 10 smo ugotovili, da je pri ϑ = 25 °C, konstanta proizvodnosti glede salicilno

kislino znašala, k = 0,0582 min−1, pri ϑ = 24 °C je glede na acetanhidrid konstanta

proizvodnosti znašala, k = 0,0446 min–1. Tako kot presnova, se tudi konstanta

proizvodnosti spreminja s temperaturo, in sicer narašča z višanjem temperature, kar je

razvidno iz preglednic 5 – 4 in 5 – 8. Na podlagi izračunov, smo ugotovili, da aktivacijska

energija, Ea, pri sintezi acetilsalicilne kisline znaša 174,5 kJ/mol.

Proizvodnost skupne reakcije sinteze acetilsalicilne kisline podamo kot vsoto obeh reakcij,

ki sta v našem primeru prvega reda. Psevdo skupen red reakcije sinteze acetilsalicilne

kisline je drugega reda.


SKLEP

7 SKLEP

Zdravila, ki se uporabljajo za lajšanje bolečin, so znana že vrsto let. Eno takšnih zdravil je

aspirin oz. acetilsalicilna kislina, ki se najpogosteje uporablja v te namene. Acetilsalicilno

kislino lahko sintetiziramo v laboratoriju s preprosto reakcijo esterifikacije med salicilno

kislino in acetanhidridom.

V okviru diplomske naloge smo sintetizirali manjšo količino acetilsalicilne kisline. Sintezo

acetilsalicilne kisline smo izvedli v šaržnem mešalnem reaktorju. Proučevali smo kemijsko

kinetiko sinteze acetilsalicilne kisline iz salicilne kisline in acetanhidrida. Kinetiko sinteze

acetilsalicilne kisline smo določili z merjenjem specifične prevodnosti šibkega elektrolita, v

našem primeru ocetne kisline, ki je nastala kot stranski produkt reakcije. Koncentracijo

ocetne kisline lahko teoretično izračunamo na podlagi teorije o šibkih elektrolitih.

Ravnotežna načela so bistvenega pomena za razumevanje ravnotežja šibkih kislin.

Cilj naše raziskave je bil sintetizirati acetilsalicilno kislino, določiti red reakcije posebej

glede na salicilno kislino in kasneje glede na acetanhidrid. Analizirali smo spreminjanje

konstant proizvodnosti pri različnih temperaturah reakcijske zmesi, določili aktivacijsko

energijo reakcije in kinetiko skupne reakcije. Po končani reakciji smo iz raztopine s

postopkom kristalizacije in čiščenja sintetizirali glavni proizvod, kristale acetilsalicilne

kisline.

Z eksperimentalnimi poskusi smo najprej določili red reakcije salicilne kisline, pri čemer

smo dodali acetanhidrid v prebitku in opazovali reakcijo le glede na koncentracijo salicilne

kisline. Ugotovili smo, da je reakcija, glede na opazovano salicilno kislino, prvega reda.

Nadalje smo določili red reakcije acetanhidrida, kjer smo dodali prebitno salicilno kislino.

Reakcija je bila prav tako prvega reda glede na acetanhidrid. Red reakcije, ki se nanaša

na določen reaktant, je opredeljen kot moč, kjer se koncentracija v enačbi hitrosti poveča.

Red reakcije predstavlja hitrost spremembe reakcije ob spremembi koncentracije

reaktanta. Če bi radi povečali hitrosti reakcije, mora biti koncentracija z višjim redom v

prebitku. Pri sintezi aspirina morata biti obe surovini v razmerju 1 : 1. Skupen red reakcije

je seštevek obeh, zato domnevamo, da reakcija sinteze acetilsalicilne kisline poteka po

kinetiki drugega reda.


SKLEP

Kemijska kinetika ima pomembno vlogo v kemijski tehniki in lahko predstavlja tako

kontinuirne, kot nekontinuirne metode za določanje koncentracije. Dobljeni rezultati

kažejo, da je metoda z merjenjem prevodnosti v šaržnem mešalnem reaktorju zelo

koristna za neprekinjeno merjenje koncentracije. Z eksperimenti smo dokazali, da

presnova ključnega reaktanta narašča s temperaturo, medtem ko njegova koncentracija

upada, saj nastaja vedno več produkta. Hitrost reakcije je torej odvisna od koncentracije

reaktantov. Reaktanti se med reakcijo stalno porabljajo, njena hitrost s časom pada in se

teoretično asimptotično približuje časovni osi. Definiranje neke splošne hitrosti reakcije ni

enostavno, zato lahko zanesljive podatke dobimo samo z opazovanjem reakcije v nekem

izbranem trenutku.

Na področju določevanja kinetike acetilsalicilne kisline bodo vsekakor še potrebne

dodatne raziskave, ki bodo vodile k boljšemu razumevanju mehanizma delovanja

acetilsalicilne kisline.


VIRI IN LITERATURA

8 VIRI IN LITERATURA

Atkins, P. W. Physical Chemistry, 6th ed. Oxford : Oxford University Press, 1998.

Balali-Mood M., Balali-Mood K. Salicylic Acid. Inter-Organization Programme for the

Sound Management of Chemicals (INCHEM). [online]. August 1996 [dostop: 2011-01-16].

Carr, R. W. (Ed.). Modeling of Chemical Reactions, Volume 42 (Comprehensive Chemical

Kinetics), 1st ed. Amsterdam : Elsevier Science, 2007.

Carstensen, J. T., Attarchi, F., Hou, X. Decomposition of Aspirin in the Solid State in the

Presence of Limited Amounts of Moisture, Journal of Pharmaceutical Sciences, 1985,

77/4, S318–S321.

ChemSpider, Building Community for Chemists. Acetic Acid. Cambridge : Royal Society of

Chemistry. [dostop: 2011-01-17]. <http://www.chemspider.com/171>.

Couper, J. R., Penney, W. R., Fair, J. R., Walas, S. M. Chemical Process Equipment:

Selection and Design, 3rd ed. Burlington : Elsevier Inc., 2010.

Eldridge, J. W., Piret, E. L. Continuous-Flow Stirred-Tank Reactor System I, Design

Equations for Homogeneous Liquid Phase Reactions, Experimental Data, Chem. Eng.

Prog., 1950, 46, S290.

Gerhardt, C. Untersuchungen über die Wasserfreien Organischen Säuren, Annalen der

Chemie und Pharmacie, 1853, 87, S149–S179.

Gilm, H. Acetylderivate der Phloretin und Salicylsäure, Annalen der Chemie und

Pharmacie, 1859, 112/2, S180–S185.

Haji, S., Erkey, C. An Experiment for Undergraduate Laboratory – Kinetics of Hydrolisis of

Acetic Anhydride by In-Situ FTIR Spectroscopy, Chemical Engineering Education, 2005,

39/1, S56−S61.

Harrison, K. Molecule of the Month for November 2000: Aspirin, Acetylsalicylic Acid. 2010

[dostop: 2011-01-19]. <http://www.3dchem.com/molecules.asp?ID=157>.


VIRI IN LITERATURA

IUPAC, 'Gold Book'. Compendium of Chemical Terminology. 2nd ed., McNaught, A. D.and

Wilkinson, A. (ur.). Oxford : Blackwell Science, 1997.

Jeffreys, D. Aspirin: The Remarkable Story of a Wonder Drug. New York : Bloomsbury,

2005.

J. T. Baker. Material Safety Data Sheets: Aspirin. Phillipsburg (NJ, USA) : Mallinckrodt

Baker, Inc., 2007-23-01 [dostop: 2011-01-19].

<http://www.jtbaker.com/msds/englishhtml/a7686.htm>.

Levenspiel, O. Chemical Reaction Engineering, 3rd ed. New York : John Wiley & Sons,

Inc., 1998.

Lewis, D., Laugharne, P. J. Aspirin: A Curriculum Resource for Post-16 Chemistry

Courses. London : Royal Society of Chemistry, 1998.

Lewis, H. D., Davis, J. W., Archibald, D. G., Steinke W. E., Smitherman T. C., Doherty, J.

E., Schnaper, H. W., LeWinter, M. M., Linares, E., Pouget, J. M., Sabharwal, S. C.,

Chesler, E., DeMots, H. Protective Effects of Aspirin Against Acute Myocardial Infarction

and Death in Men with Unstable Angina. Results of a Veterans Administration

Cooperative Study, The New England Journal of Medicine, 1983, 309/7, S396–S403.

Macdonald, S. Aspirin Use to be Banned in Under 16 Year Olds, BMJ, 2002, 325/7371,

S988.

Mackowiak, P. A. Brief History of Antipyretic Therapy, Clinical Infectious Diseases, 2000,

31, S154−S156.

Martindale, W. Aspirin and Similar Analgesic and Anti-inflammatory Agents. V: Reynolds,

J. E. F. (ed). Martindale: The Extra Pharmacopoeia, 28th ed. London : The Pharmaceutical

Press, 1982, str. 234−282.

Missen, R. W., Mims, C. A., Saville, B. A. Introduction to Chemical Reaction Engineering

and Kinetics. New York : John Wiley & Sons, Inc., 1999.

Myerson, A. S. Handbook of Industrial Crystallization, 2nd ed. Boston : Butterworth-

Heinemann, 2002.

OECD SIDS. Acetic Anhydride (108-24-7). Geneva : UNEP, June 1997 [dostop: 2011-01-

11]. <http://www.inchem.org/documents/sids/sids/108247.pdf>.

Palleros, D. R. Experimental Organic Chemistry, 1st ed. New York : John Wiley & Sons,

Inc., 2000.


VIRI IN LITERATURA

Rainsford, K. D. Aspirin and Related Drugs, 1st ed. London : CRP Press, 2004.

Schmidt, L. D. The Engineering of Chemical Reactions. New York : Oxford University

Press, 1998.

Schröder, A., Prinzhorn, A., Kraut, K. Uber Salicylverbindungen, Annalen der Chemie und

Pharmacie, 1869, 150/1, S1–S20.

Shatyski, J. J., Hanesian, D. Adiabatic Kinetics Studies of the Cytidine/Acetic Anhydride

Reaction by Utilizing Temperature Versus Time Data, Ind. Eng.Chem. Res., 1993, 32/4,

S594−S599.

Sigma-Aldrich. Analytical, Biology, Chemistry & Materials Science Products and Services.

St. Louis (Missouri, USA) : Sigma-Aldrich Co., 2010 [dostop: 2011-01-11].

<www.sigma-aldrich.com>.

Tung, H. H., Paul, E. L., Midler, M., McCauley, J. A. Crystallization of Organic

Compounds: An Industrial Perspective, 1st ed. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc.,

2009.

Vane, J. R. Inhibition of Prostaglandin Synthesis as a Mechanism of Action for Aspirin-like

Drugs, Nat. New Biol., 1971, 231/25, S232–S235.

Warner, T. D., Mitchell, J. A. Cyclooxygenase-3 (COX-3): Filling in the Gaps Toward a

COX continuum?, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002, 99/21, S13371−13373.


VIRI IN LITERATURA


PRILOGE

9 PRILOGE

Priloga A.9

A.9.1 Določitev koncentracije, cA, in presnove, XA, salicilne kisline

A.9.1.1 Grafična ponazoritev za ϑ = 23 °C

Slika A9 – 1: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) priϑ = 23 °C.

Slika A9 – 2: Graf spreminjanja presnove, XA, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 23 °C.


PRILOGE

A.9.1.2 Grafična ponazoritev za ϑ = 27 °C

Slika A9 – 3: Grafični prikaz krivulje cA = f(t) priϑ = 27 °C.

Slika A9 – 4: Graf spreminjanja presnove, XA, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 27 °C.


PRILOGE

A.9.2 Določitev reda reakcije salicilne kisline

A.9.2.1 Meritve, izračuni in grafična ponazoritev za ϑ = 23 °C Preglednica A9 – 1: Meritve in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 23 °C.

t/min cA/(mol/L) cA0/cA ln (cA0/cA)

0 0,0104 1 0 1,03 0,0103 1,0094 0,0093 1,23 0,0103 1,0133 0,0133 1,48 0,0102 1,0180 0,0178 1,88 0,0101 1,0317 0,0312 2,33 0,0099 1,0497 0,0485 2,53 0,0099 1,0557 0,0542 2,98 0,0097 1,0760 0,0733 3,37 0,0095 1,0960 0,0916 3,77 0,0093 1,1141 0,1080 4,10 0,0092 1,1343 0,1260 4,38 0,0090 1,1509 0,1405 4,55 0,0089 1,1627 0,1508 4,88 0,0088 1,1817 0,1670 5,17 0,0087 1,2023 0,1842 5,48 0,0085 1,2245 0,2026 6,02 0,0082 1,2658 0,2357 6,42 0,0080 1,3031 0,2647 6,98 0,0077 1,3559 0,3044 7,45 0,0075 1,3913 0,3303 7,72 0,0073 1,4167 0,3483 8,40 0,0070 1,4873 0,3969 8,68 0,0068 1,5187 0,4178 9,25 0,0066 1,5696 0,4508 9,83 0,0064 1,6259 0,4860

10,45 0,0062 1,6881 0,5236 10,63 0,0061 1,7104 0,5367

Slika A9 – 5: Graf ln (cA0/cA) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 23 °C.


PRILOGE

A.9.2.2 Meritve, izračuni in grafična ponazoritev za ϑ = 27 °C Preglednica A9 – 2: Meritve in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 27 °C.


0 0,0104 1 0 1,02 0,0095 1,0960 0,0916 1,37 0,0092 1,1343 0,1260 1,77 0,0088 1,1884 0,1726 2,15 0,0083 1,2571 0,2288 2,43 0,0080 1,3031 0,2647 2,68 0,0077 1,3447 0,2962 3,00 0,0073 1,4167 0,3483 3,28 0,0071 1,4723 0,3868 3,45 0,0068 1,5187 0,4178 3,97 0,0063 1,6459 0,4983 4,43 0,0058 1,7821 0,5778 4,82 0,0055 1,8914 0,6373 5,15 0,0051 2,0195 0,7029 5,50 0,0049 2,1311 0,7566 6,00 0,0045 2,3059 0,8355 6,47 0,0041 2,5193 0,9240 6,97 0,0037 2,7851 1,0243 7,60 0,0033 3,1248 1,1394 8,47 0,0028 3,7092 1,3108 9,30 0,0024 4,3865 1,4785 9,75 0,0021 4,8373 1,5764

10,38 0,0018 5,7367 1,7469

Slika A9 – 6: Graf ln (cA0/cA) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 27 °C.


PRILOGE

A.9.2.3 Meritve in izračuni pri ϑ = 25 °C Preglednica A9 – 3: Meritve in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 25 °C.


0 0,0104 1 0 1,03 0,0099 1,0469 0,0458 1,37 0,0098 1,0621 0,0602 1,58 0,0097 1,0760 0,0733 1,82 0,0096 1,0877 0,0840 2,15 0,0094 1,1094 0,1038 2,50 0,0092 1,1290 0,1213 2,88 0,0090 1,1567 0,1456 3,28 0,0088 1,1817 0,1670 3,42 0,0087 1,1952 0,1783 3,87 0,0085 1,2245 0,2026 4,22 0,0083 1,2571 0,2288 4,57 0,0081 1,2839 0,2499 4,73 0,0080 1,3031 0,2647 5,28 0,0077 1,3447 0,2962 5,67 0,0075 1,3792 0,3215 6,07 0,0073 1,4167 0,3483 6,50 0,0071 1,4578 0,3769 7,15 0,0068 1,5187 0,4178 7,67 0,0066 1,5696 0,4508 8,12 0,0064 1,6259 0,4860 8,80 0,0062 1,6881 0,5236 9,37 0,0059 1,7573 0,5638 9,77 0,0058 1,8079 0,5922

10,40 0,0056 1,8624 0,6219

A.9.3 Določitev Ea salicilne kisline

Preglednica A9 – 4: Izračuni za grafično ponazoritev ln k = f(1/T).

T/K k/min–1 1/T/(10–3 K–1) ln k

296,15 0,0442 3,377 -3,119 298,15 0,0582 3,354 -2,844 300,15 0,1491 3,332 -1,903


PRILOGE

Priloga B.9

B.9.1 Določitev koncentracije, cB, in presnove, XB, acetanhidrida

B.9.1.1 Grafična ponazoritev za ϑ = 22 °C

Slika B9 – 1: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) priϑ = 22 °C.

Slika B9 – 2: Graf spreminjanja presnove, XB, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 22 °C.


PRILOGE

B.9.1.2 Grafična ponazoritev za ϑ = 26 °C

Slika B9 – 3: Grafični prikaz krivulje cB = f(t) priϑ = 26 °C.

Slika B9 – 4: Graf spreminjanja presnove, XB, v odvisnosti od časa, t, pri ϑ = 26 °C.


PRILOGE

B.9.2 Določitev reda reakcije acetanhidrida

B.9.2.1 Meritve, izračuni in grafična ponazoritev za ϑ = 22 °C Preglednica B9 – 1: Meritev in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 22 °C.

t/min cB/(mol/L) cB0/cB ln (cB0/cB)

0 0,0090 1 0 1,20 0,0089 1,0123 0,0122 1,35 0,0089 1,0155 0,0153 1,63 0,0088 1,0172 0,0170 2,10 0,0088 1,0228 0,0226 2,25 0,0088 1,0272 0,0268 2,43 0,0087 1,0294 0,0290 2,65 0,0087 1,0342 0,0337 2,77 0,0087 1,0369 0,0362 3,10 0,0086 1,0452 0,0442 3,28 0,0086 1,0514 0,0501 3,50 0,0085 1,0546 0,0532 3,68 0,0085 1,0580 0,0563 3,97 0,0084 1,0686 0,0664 4,53 0,0083 1,0846 0,0812 4,83 0,0082 1,0934 0,0893 5,15 0,0082 1,1027 0,0977 6,42 0,0079 1,1342 0,1259 7,72 0,0077 1,1717 0,1585 8,77 0,0075 1,2005 0,1827 9,58 0,0074 1,2243 0,2024

10,10 0,0073 1,2414 0,2162 10,78 0,0071 1,2594 0,2307

Slika B9 – 5: Graf ln (cB0/cB) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 22 °C.


PRILOGE

B.9.2.2 Meritve, izračuni in grafična ponazoritev za ϑ = 26 °C Preglednica B9 – 2: Meritve in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 26 °C.


0 0,0090 1 0 1,02 0,0088 1,0209 0,0207 1,25 0,0088 1,0272 0,0268 1,80 0,0086 1,0482 0,0471 2,20 0,0085 1,0650 0,0629 2,55 0,0083 1,0804 0,0774 3,17 0,0081 1,1126 0,1067 3,52 0,0080 1,1285 0,1209 3,92 0,0078 1,1521 0,1416 4,32 0,0076 1,1785 0,1642 4,82 0,0074 1,2161 0,1956 5,28 0,0072 1,2502 0,2233 5,95 0,0069 1,3095 0,2696 6,47 0,0066 1,3552 0,3040 6,98 0,0064 1,4069 0,3414 7,43 0,0062 1,4502 0,3717 8,23 0,0059 1,5324 0,4269 8,68 0,0057 1,5890 0,4631 9,20 0,0054 1,6520 0,5020 9,53 0,0053 1,6978 0,5293 9,88 0,0052 1,7476 0,5582

10,50 0,0049 1,8296 0,6041

Slika B9 – 6: Graf ln (cB0/cB) kot funkcija časa, t, pri ϑ = 26 °C.


PRILOGE

B.9.2.3 Meritve in izračuni pri ϑ = 24 °C Preglednica B9 – 3: Meritve in izračuni za določitev reda reakcije pri ϑ = 24 °C.


0 0,0090 1 0 1,13 0,0087 1,0342 0,0337 1,42 0,0086 1,0452 0,0442 1,65 0,0085 1,0546 0,0532 1,93 0,0084 1,0686 0,0664 2,15 0,0083 1,0804 0,0774 2,38 0,0083 1,0889 0,0852 2,60 0,0082 1,1027 0,0977 2,83 0,0081 1,1126 0,1067 3,00 0,0080 1,1230 0,1160 3,28 0,0079 1,1400 0,1310 3,75 0,0077 1,1649 0,1526 4,20 0,0075 1,1930 0,1765 4,70 0,0074 1,2243 0,2024 5,62 0,0070 1,2786 0,2458 6,25 0,0068 1,3204 0,2780 6,77 0,0066 1,3552 0,3040 7,15 0,0065 1,3804 0,3224 7,50 0,0064 1,4069 0,3414 7,95 0,0063 1,4354 0,3614 8,63 0,0061 1,4815 0,3930 9,32 0,0059 1,5324 0,4269 9,77 0,0057 1,5696 0,4508

10,68 0,0055 1,6301 0,4887

B.9.3 Določitev Ea acetanhidrida

Preglednica B9 – 4: Izračuni za grafično ponazoritev ln k = f(1/T).

T/K k/min–1 1/T/(10–3 K–1) ln k

295,15 0,0197 3,388 -3,927 297,15 0,0446 3,365 -3,110 299,15 0,0509 3,343 -2,978


ŽIVLJENJEPIS

10 ŽIVLJENJEPIS


ŽIVLJENJEPIS

dolo Čitev kinetike sinteze acetilsalicilne kisline · 5.1 sinteza acetilsalicilne kisline z...

Documents