化学反应速率和活化能的测定

课程名称:无机化学实验

实验项目:化学反应速率和活化能的测定

 

第二篇: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:

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          

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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