1. 考察反应物浓度,反应温度及催化剂对反应速率的影响
2. 学习反应级数的实验测定方法
3. 通过化学反应速率的测定,计算反应的活化能
1. 完整地写出本实验测定化学反应速率、活化能及影响化学反应速率因素的的实验流程图,并在流程中标注上测定的实验条件及保证实验准确度所采取的措施及缘由。
2. 本方法还有改进的地方吗?极限性在那里?那些操作或实验条件会对实验结果有较大影响,那些可以忽略?
3. 测定化学反应速率还有什么其他方法吗?能否借助仪器监控浓度与时间的变化关系?预习时通过查阅文献至少写出其中一种,并给出设计思路。
在水溶液中(NH4)2S2O8氧化KI的反应如下:
(NH4)2S2O8 + 2KI = (NH4)2SO4 + K2SO4 + I2
或 S2O82- +2I- = 2SO42- + I2 (1)
在一定温度条件下,其反应的平均速率可以表示为:
= = k [S2O82-]m[I-]n
为了测定反应速率,我们必须测定在时间内[S2O82-]浓度的变化。我们用淀粉作指示剂。在过二硫酸铵与碘化钾两溶液混合前,先加入一定体积已知浓度的硫代硫酸钠溶液和淀粉溶液,由反应(1)释放的I2立即与Na2S2O3反应生成无色的S4O62-和I-:
2S2O3 2- + I2 = S4O62- + 2I- (2)
反应(2)的速率比反应(1)快得多。当Na2S2O3耗尽时,由反应(1)生成的I2立即与淀粉作用,使溶液呈蓝色。
由反应(1)和(2)可知,S2O82-减少的量为S2O3 2-减少量的一半,所以
[S2O82-] =
由于在内Na2S2O3完全耗尽,所以[S2O32-]就是Na2S2O3的起始浓度。实验时,记录从反应开始到溶液出现蓝色所用的时间,由v = 求得反应速率。
实验证明反应(1)的速率为:
v = = k [S2O82-]m[I-]n
对v = k [S2O82-]m[I-]n 两边取对数,可得:
lg v = lgk + m lg [S2O82-] + nlg[I-]
当[I-]不变时,用lg v~lg [S2O82-]作图,得一直线,斜率m为相对于[S2O82-]的反应级数。同理当[S2O82-]不变时,以lg v~lg[I-]作图,得一直线,其斜率n为相对于[I-]的反应级数。根据m、n可计算出反应(1)的总级数(m+n)。同样根据m和n,由速率方程式v = k [S2O82-]m[I-]n可求得一定温度下反应速率常数k。
当浓度不变、温度变化时,根据Arrhenius公式
lgk =
温度对反应速率的影响可定量地描述。根据lgk =求得不同温度下的k值,以lgk~作图,可以得一直线,由斜率()求出反应的活化能Ea。式中A为本反应的特征常数,R为气体常数,T为绝对温度,Ea为反应的活化能。
仪器:锥形瓶(50mL×5),量筒(10mL×5),吸量管(10mL×5),试管,温度计,秒表,水浴锅(或槽)
试剂:0.2mol·L-1 (NH4)2S2O8溶液,0.2mol·L-1KI溶液,0.01mol·L-1Na2S2O3溶液 0.2mol·L-1KNO3溶液,0.02mol·L-1Cu(NO3)2溶液,0.2mol·L-1 (NH4)2SO4溶液,0.2%淀粉溶液
1.浓度对化学反应速率的影响
取四支10mL吸量管分别移取10.00mL 0.2mol·L-1KI溶液、7.50mL 0.2mol·L-1 (NH4)2SO4溶液, 4.00mL 0.01 mol·L-1Na2S2O3溶液和0.2%淀粉溶液2.00mL置50mL锥形瓶中,用另一支10mL吸量管取0.2mol·L-1(NH4)2S2O8溶液2.50mL,快速将(NH4)2S2O8溶液加到锥形瓶里,同时开启秒表,并不断摇动溶液,当溶液刚刚开始出现蓝色时,停表,记录反应所需的时间及反应温度。
用同样的方法按表9-1完成其余2、3、4、5实验项的试验。
通过表9-1的实验数据可计算出反应的平均速率。根据1组~3组的数据作出lg v对lg [S2O82-]的曲线,从而求出相对于S2O82-的反应级数m,同理以3组~5组的数据作出lg v对lg[I-]的曲线,得出I-的反应级数n。最后从以上的处理结果可求出反应速率常数k。-
2.温度对化学反应速率的影响
表9-2中的实验组1的数据实际就是表Ⅱ-15-1中的实验组2的数据。按表9-2数据,用四支10mL吸量管分别量取10.00mL 0.2 mol·L-1KI、5.00mL 0.2mol·L-1 (NH4)2SO4、4.00mL 0.01mol·L-1 Na2S2O3 和 2.00mL 0.2%的淀粉溶液于锥形瓶中,用另一支10mL吸量管移取5.00mL 0.2mol·L-1 (NH4)2S2O8溶液,将含溶液的锥形瓶和试管置恒温水浴加热,待温度升到高出室温10℃,将试管中的溶液加到锥形瓶中,同时开启秒表,并不断摇动锥形瓶,待溶液呈现蓝色,立即停表,记录反应所需的时间和温度。
按同样的方法在高于室温20℃条件下,重复上述实验,记录时间和温度。
3.催化剂对化学反应速率的影响
Cu2+可以催化上述反应(1),加入微量Cu2+可以使反应速率大大加快。按表15-2中实验序号4的试剂用量做实验,需注意的是在加(NH4)2S2O8溶液到锥形瓶前,先加2滴0.02mol·L-1Cu(NO3)2溶液。
根据实验结果,请分别讨论浓度、温度和催化剂对反应速率的影响。
表9-1 浓度对化学反应速率的影响
2.温度对化学反应速率的影响
表9-2 温度和催化剂对化学反应速率的影响
1. 影响化学反应速率的因素有哪些?请解释反应物浓度的增加和温度的升高对化学反应速率的影响。
2. 实验中反应一开始就有生成,为何不与淀粉显蓝色呢?
化学反应速率与活化能的测定
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:
S2O82-(aq)+ 3I-(aq) = 2SO42- (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S2O82-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:
2S2O32- (aq) + I3-(aq) ══ S4O62-(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S2O32-反应生成无色的S4O62-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 S2O82- 就要消耗2 mol 的S2O32-,即
(S2O82-)= (S2O32-)
由于在时间内,S2O32-已全部耗尽,所以(S2O32-)实际上就是反应开始时Na2S2O3的浓度,即
-(S2O32-)= (S2O32-)
这里的(S2O32-)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(S2O32-)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。
计算每次实验的反应速率,并填入表1中。
表1 浓度对反应速率的影响 室温:15℃
用表1中实验1、2、3的数据,依据初始速率法求α;用实验1、4、5的数据,求出β,再求出(α+β);再由公式求出各实验的,并把计算结果填入表1中。
2. 温度对反应速率的影响,求活化能
按表1中实验1的试剂用量分别在高于室温5℃、10℃和15℃的温度下进行实验。这样就可测得这三个温度下的反应时间,并计算三个温度下的反应速率及速率系数,把数据和实验结果填入表2中。
表2 温度对反应速率的影响
利用表2中各次实验的和T,作-图,求出直线的斜率,进而求出反应(1)的活化能。
3. 催化剂对反应速率的影响
在室温下,按表1中实验1的试剂用量,再分别加入1滴、5滴、10滴0.02mol·L-1Cu(NO3)2溶液[为使总体积和离子强度一致,不足10滴的用0.2mol·L-1(NH4)2SO4溶液补充]。
表3 催化剂对反应速率的影响
将表3中的反应速率与表1中的进行比较,你能得出什么结论?
思考题
1. 若用I-(或I3-)的浓度变化来表示该反应的速率,则和是否和用S2O82-的浓度变化表示的一样?
2. 实验中当蓝色出现后,反应是否就终止了?
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