实验 化学反应速率与活化能
一、实验目的
1.了解浓度、温度和催化剂对反应速率的影响。
2.测定过二硫酸铵与碘化钾反应的速率,并计算反应级数、反应速率常数和反应的活化能。
二、实验原理:
在水溶液中过二硫酸铵与碘化钾反应为:
(NH4)2S2O8 + 3KI === (NH4)2SO4 + K2SO4 + KI3
其离子反应为: S2O82- + 3I- === SO42- + I3- (1)
反应速率方程为:
式中r是瞬时速率。若、是起始浓度,则r表示初速率(v0)。在实验中只能测定出在一段时间内反应的平均速率。
在此实验中近似地用平均速率代替初速率:
为了能测出反应在△t时间内S2O82-浓度的改变量,需要在混合(NH4)2S2O8 和KI溶液的同时,加入一定体积已知浓度的Na2S2O3溶液和淀粉溶液,这样在(1)进行的同时还进行着另一反应:
2S2O32- + I3- === S4O62- + 3I- (2)
此反应几乎是瞬间完成,(1)反应比(2)反应慢得多。因此,反应(1)生成的I3-立即与S2O32-反应,生成无色S4O62-和I-,而观察不到碘与淀粉呈现的特征蓝色。当S2O32-消耗尽,(2)反应不进行,(1)反应还在进行,则生成的I3-遇淀粉呈蓝色。
从反应开始到溶液出现蓝色这一段时间△t里,S2O32-浓度的改变值为:
再从(1)和(2)反应对比,则得:
通过改变S2O82- 和I-的初始浓度,测定消耗等量的S2O82- 的物质的量浓度所需的不同时间间隔,即计算出反应物不同初始浓度的初速率,确定出速率方程和反应速率常数。
三、实验步骤
1.浓度对化学反应速率的影响
在室温条件下进行编号Ⅰ的实验。用量筒分别量取20.0ml 0.20mol/L KI溶液,8.0m l0.010mol/LNa2S2O3溶液和2.0ml 0.20mol/L0.4%淀粉溶液,全部注入烧杯中,混合均匀。
然后用另一量筒取20.0ml 0.2mol/L(NH4)2S2O8溶液,迅速倒入上述混合溶液中,同时开动秒表,并不断搅拌,仔细观察。
当溶液刚出现兰色时,立即按停秒表,记录反应时间和室温。
按下表各溶液用量进行实验。
室温 ℃
2.温度对化学反应速率的影响
按上表实验Ⅳ中的药品用量,将装有KI,Na2S2O3,KNO3和淀粉混合溶液的烧杯和装有(NH4)2S2O8溶液的小烧杯,放在冰水浴中冷却,待温度低于室温10℃时,将两种溶液迅速混合,同时计时并不断搅拌,出现兰色时记录反应时间。
用同样方法在热水浴中进行高于室温10℃时的实验。
3.催化剂对化学反应速率的影响
按实验Ⅳ药品用量进行实验,在(NH4)2S2O8溶液加入KI混合液之前,先在KI混合液中加入2滴Cu(NO3)2(0.02mol/L)溶液,搅匀,其它操作同实验1。
四.思考题
思考题1:反应液中为什么加入KNO3、(NH4)2SO4?
思考题2:取(NH4)2S2O8试剂量筒没有专用,对实验有何影响?
思考题3:(NH4)2S2O8缓慢加入KI等混合溶液中,对实验有何影响?
思考题4:催化剂Cu(NO3)2为何能够加快该化学反应的速率?
补充:
1、如何根据所得实验数据计算反应级数和反应速率常数?
两边取对数:
当不变(实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)时,以对作图,得直线,斜率为m。同理,当不变(实验Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ)时,以对作图,得n,此反应级数为m+n。利用实验1一组实验数据即可求出反应速率常数k。
2、如何根据实验数据计算反应活化能?
测出不同温度下的k值,以对作图,得直线,斜率为,可求出反应的活化能Ea。
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S2O82-浓度的变化,在反应溶液内加入一定量的S2O32-,先生成的I2被它还原,则溶液不显色,当S2O32-反应完,多余的I2又使溶液变蓝。S2O32-减量是S2O82-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,S2O82-和I-的初始浓度均为0.20mol/L,S2O32-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 S2O82-溶液和1.00mlS2O32-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)S2O82-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 S2O82-溶液和1.00mlS2O32-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 S2O82-溶液和1.00mlS2O32-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 S2O82- 溶液和1.00ml S2O32- 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5.00mlS2O82- 溶液和1.00mlS2O32- 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
S2O82-与I-反应的速率方程可写为
其中= S2O82-,= 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。
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