实验六化学反应速率和活化能的测定

实验六化学反应速率和活化能的测定——Chemlab软件模拟

一、实验目的

1、了解虚拟化学实验室Corel Chemlab软件的功能和使用。

2、模拟氧化-还原反应过程，推导反应速率方程并计算反应的活化能，研究浓度和温度对化学反应速率的影响。

二、实验原理

Corel ChemLab是一款免费软件，在化学实验中主要有以下功能：

（1）提供30多个预设实验；（2）提供化学活动课的基本实验和气体实验平台；（3）可做自主设计性、探究性的实验；（4）提供常见化学分子的三维演示；（5）提供各化学元素的基本信息。

双击Corel ChemLab可执行文件图标，进入Corel ChemLab虚拟化学实验室界面，图1为实验室界面，包含以下主要内容：

图1 Corel ChemLab实验界面

（1）实验操作台。中间是实验操作台，台上有烧杯、酸度计、滴定管和水龙头；台下面有四个实验柜，里面放有备用烧杯和一些化学药品。当鼠标移动到这些器具上，指针变成手形状时，点击便可使用它们。使用烧杯时，右键点击烧杯会出现一个菜单，上面有“装料”、“显示体积”、“快流”或 “慢流”等操作，可装入溶液、显示溶液体积和控制溶液的倒出速度。

（2）壁橱。右后方墙壁上有一个四层壁橱，从上向下依次放有电炉和电子称；实验指导书、防护眼镜和滴管；五瓶酸碱指示剂，分别是酚酞，百里酚蓝，甲基橙，甲基紫和溴酚蓝；放射物检测仪。用鼠标点击或者拖拽可以使用它们或者将它们移动到实验台上。

（3）其他内容。墙壁上还有温度计和元素周期表；地上有废液回收瓶和冰浴槽；最左边有“退出”按钮，最右边有“菜单”按钮和“气体实验室”按钮。用鼠标点击就起作用，操作非常方便。

化学动力学主要研究化学反应的速率，研究反应条件（例如浓度、压力、温度、催化剂等）与反应速率的关系，揭示反应机理，是化学学科的重要组成。动力学实验需要严格监测反应时间和反应过程，由于观察反应终点和手动计时的误差较大，实验结果不理想。采用计算机模拟不仅能提高准确度，还能通过数据处理获得更直观的动力学相关参数。本实验利用Corel chemlab软件模拟氧化-还原反应体系的反应过程，研究反应速率的影响因素、计算反应速率常数和活化能等参数。通过实例分析该软件在化学动力学实验中的应用特点，为其在化学信息化方面的应用提供理论依据。

点击“菜单”，从中选择“实验”——“动力学实验”即开始做动力学实验，以软件预设的过二硫酸盐与碘离子的氧化还原反应为例，化学反应方程式为：

以淀粉为指示剂，溶液呈蓝色，为了测出一定时间内S₂O₈^2-浓度的变化，在反应溶液内加入一定量的S₂O₃^2-，先生成的I₂被它还原，则溶液不显色，当S₂O₃^2-反应完，多余的I₂又使溶液变蓝。S₂O₃^2-减量是S₂O₈^2-减量的2倍，溶液由无色变为蓝色所用的时间就是反应时间。实验中，S₂O₈^2-和I^-的初始浓度均为0.20mol/L，S₂O₃^2-溶液的浓度为0.02mol/L。

三、实验仪器和试剂

计算机、corel chemlab软件

四、实验步骤

（1）向反应烧杯中加入20℃5.00ml S₂O₈^2-溶液和1.00mlS₂O₃^2-溶液，加入1滴淀粉指示剂。向另一个空烧杯中加入5.00ml I^-溶液，快速倒入反应烧杯，并开始计时。观察反应烧杯中溶液颜色的变化，等颜色由无色变为蓝色时停止计时，记录反应时间。

（2）S₂O₈^2-溶液加入等量水稀释，重复（1）步骤，记录反应时间。

（3）I^-溶液加入等量水稀释，重复（1）步骤，记录反应时间。

（4）反应溶液加入等量水稀释。向反应烧杯中加入20℃5.00ml S₂O₈^2-溶液和1.00mlS₂O₃^2-溶液，再加入11.00ml水和1滴淀粉指示剂。然后再与5.00ml的 I^-溶液迅速混合，并开始计时直到溶液颜色由无色变为蓝色时停止计时，记录反应时间。

（5）反应溶液加入3倍体积水稀释。20℃向反应烧杯中加入5.00ml S₂O₈^2-溶液和1.00mlS₂O₃^2-溶液，再加入33.00ml水和1滴淀粉指示剂。然后再与5.00ml的 I^-溶液迅速混合，并开始计时直到溶液颜色由无色变为蓝色时停止计时，记录反应时间。

（6）升高反应温度。向反应烧杯中加入5.00ml S₂O₈^2- 溶液和1.00ml S₂O₃^2- 溶液，加入1滴淀粉指示剂。混合液体加热到40℃时，迅速加入5.00ml的 I^- 溶液，并开始计时直到溶液颜色由无色变为蓝色时停止计时，记录反应时间。

（7）降低反应温度。向反应烧杯中加入5.00mlS₂O₈^2- 溶液和1.00mlS₂O₃^2- 溶液，加入1滴淀粉指示剂。把混合液体放到冰水浴中，温度降至1℃时，迅速加入5.00ml的 I^- 溶液，并开始计时直到溶液颜色由无色变为蓝色时停止计时，记录反应时间。

五、数据记录及处理

通过实验1~3可以推导反应速率方程，实验1、4和5可以研究浓度对反应速率的影响，实验1、6和7可以研究温度对反应速率的影响，并结合阿仑尼乌斯(Arrhenius)公式计算反应的活化能。所得实验数据记录在表1。

（1）反应速率方程

S₂O₈^2-与I^-反应的速率方程可写为

其中= S₂O₈^2-，= I^-，把实验1~3的数据代入公式中，得到方程组：

解得= ，= ，k= 。所以反应速率方程为

表1 动力学实验数据记录

（2）活化能

不同温度的反应速率常数之比可用下式来表示：

将不同温度的数据代入上式和阿仑尼乌斯(Arrhenius)公式：

计算出该反应的活化能约为 kJ/mol，与理论值56.7 kJ/mol相比，相对误差为。

（3）温度和浓度与反应速率的关系

由碰撞理论可知，当反应体系的温度升高时，单位体积内活化分子数增多，从而增加单位体积内的有效碰撞次数，反应速率加快、反应时间缩短。从表1的反应时间数据可以看出，当温度升高20K时，反应时间缩短为原来的。

同样，当反应物的浓度减小时，单位体积内反应分子数减少，从而引起单位体积内的有效碰撞次数减少，反应速度降低、反应时间延长。实验1、4和5的结果进一步证实了这一理论。

六、思考与讨论

Corel ChemLab是模拟实验仿真软件，用户在计算机上按一定的事件和逻辑完成与实际相似的实验步骤，以达到实验的目的。以上模拟动力学实验的结果表明，该软件能对实验原理、实验设备仪器的使用方法、实验现象和实验进程进行全程模拟，而且操作简单、现象明显，使用者能够全面熟悉实验的原理和目的，对实验的预习和复习非常实用。

实验室不便于操作或者观察的实验，用Corel ChemLab模拟，学生可以重复操作，加深印象，也避免了冗长的实验过程，节省仪器、试剂和能量的消耗，安全无污染，符合现在提倡的化学实验走向绿色化学的思想。

第二篇：化学反应速率与活化能的测定实验报告

化学反应速率与活化能的测定实验报告

姓名班级试验时间

第室号位指导教师

实验目的

1． 了解浓度、温度及催化剂对化学反应速率的影响。

2． 测定（NH₄）₂S₂O₈与KI反应的速率、反应级数、速率系数和反应的活化能。

实验原理

（NH₄）₂S₂O₈和KI在水溶液中发生如下反应：

S₂O₈^2-(aq)+ 3I^-(aq) ＝ 2SO₄^2-(aq)+ I₃^-(aq) （1）

这个反应的平均反应速率为

= - =

式中： ── 反应的平均反应速率；

── 时间内的浓度变化；

， ── ，的起始浓度；

── 该反应的速率系数；

──反应物，的反应级数，为该反应的总级数。

为了测出在一定时间（）内S₂O₈^2-的浓度变化，在混合(NH₄)₂S₂O₈和KI溶液的同时，加入一定体积的已知浓度的Na₂S₂O₃溶液和淀粉，这样在反应（1）进行的同时，还有以下反应发生：

2S₂O₃^2- (aq) + I₃^－(aq)══ S₄O₆^2-(aq) + 3I^-(aq) （2）

由于反应（2）的速率比反应（1）的大得多，由反应（1）生成的I₃^－会立即与S₂O₃^2-反应生成无色的S₄O₆^2-和I^-。这就是说，在反应开始的一段时间内，溶液呈无色，但当Na₂S₂O₃一旦耗尽，由反应（1）生成的微量I₃^－就会立即与淀粉作用，使溶液呈蓝色。

由反应（1）和（2）的关系可以看出，每消耗1mol S₂O₈^2- 就要消耗2 mol 的S₂O₃^2-，即

（S₂O₈^2-）= （S₂O₃^2-）

由于在时间内，S₂O₃^2-已全部耗尽，所以（S₂O₃^2-）实际上就是反应开始时Na₂S₂O₃的浓度，即

－（S₂O₃^2-）= （S₂O₃^2-）

这里的（S₂O₃^2-）为Na₂S₂O₃的起始浓度。在本实验中，由于每份混合液中Na₂S₂O₃的起始浓度都相同，因而（S₂O₃^2-）也是相同的，这样，只要记下从反应开始到出现蓝色所需要的时间（），就可以算出一定温度下该反应的平均反应速率：

===

按照初始速率法，从不同浓度下测得的反应速率，即可求出该反应的反应级数α和β，进而求得反应的总级数（α+β），再由求出反应的速率系数。

由Arrhenius方程得

式中：── 反应的活化能；

── 摩尔气体常数，= 8.314 J·mol^-1·K^-1 ;

── 热力学温度

求出不同温度时的值后，以对作图，可得一直线，由直线的斜率可求得反应的活化能。

Cu²⁺可以加快(NH₄)₂S₂O₈与KI反应的速率，Cu²⁺的加入量不同，加快的反应速率也不同。

仪器、药品及材料

仪器：恒温水浴一台，烧杯（50ml）5个（标上1、2、3、4、5），量筒[10ml4个，分别贴上0.2mol·L^-1(NH₄)₂S₂O₈，0.2mol·L^-1KI，0.2mol·L^-1KNO₃，0.2mol·L^-1(NH₄)₂SO₄；5ml 2个，分别贴上0.05 mol·L^-1Na₂S₂O₃，0.2％淀粉]，秒表1块，玻璃棒或电磁搅拌器。

药品：(NH₄)₂S₂O₈（0.2mol·L^-1），KI（0.2mol·L^-1），Na₂S₂O₃（0.05mol·L^-1）, KNO₃（0.2mol·L^-1）, (NH₄)₂SO₄（0.2mol·L^-1）,淀粉溶液（0.2％），Cu(NO₃)₂（0.02mol·L^-1）。

实验步骤

1. 浓度对反应速率的影响，求反应级数、速率系数

在室温下，按表1所列各反应物用量，用量筒准确量取各各试剂，除0.2mol·L^-1(NH₄)₂S₂O₈溶液外，其余各试剂均可按用量混合在各编号烧杯中，当加入0.2mol·L^-1(NH₄)₂S₂O₈溶液时，立即计时，并把溶液混合均匀（用玻璃棒搅拌或把烧杯放在电磁搅拌器上搅拌），等溶液变蓝时停止计时，记下时间和室温。