化学反应速率与活化能

化学反应速率与活化能-数据的表达与处理

一、实验目的

1. 试验浓度、温度与催化剂对化学反应速率的影响。

2. 测定过二硫酸与碘化钾反应的反应速率，并计算反应级数、反应速率常数及反应的活化能。

二、实验原理

在水溶液中，(NH₄)₂S₂O₈（过二硫酸铵）和KI发生以下反应：

S₂O₈^2-＋3I^- = 2SO₄^2-＋I₃^- (1)

这个反应的平均反应速率可用下式表示：

v =－D[S₂O₈^2-]/Dt = k [S₂O₈^2-]^m[I ^-]ⁿ

式中v为平均反应速率，D[S₂O₈^2-]为Dt时间内S₂O₈^2-的浓度变化，[S₂O₈^2-]和[I^-]分别为S₂O₈^2-与I^-的起始浓度，k为反应速率常数，m加n为反应级数。

为了测定Dt时间内S₂O₈^2-的浓度变化，在将(NH₄)₂S₂O₈溶液和KI溶液混合的同时，加入一定体积的已知浓度的Na₂S₂O₃溶液和淀粉溶液。这样在反应(1)进行的同时，还发生以下反应：

2S₂O₃^2-＋I₃^- = S₄O₆^2-＋3I^- (2)

反应(2)的速度比反应(1)快得多，所以由反应(1)生成的I₃^-立即与S₂O₃^2-作用，生成了无色的S₄O₆^2-和I^-。但是一旦S₂O₃^{2 -}耗尽，反应(1)生成的微量I₃^-就立即与淀粉溶液作用，使溶液显蓝色。

从反应式(1)和(2)可以看出，S₂O₈^2-减少1摩尔时，S₂O₃^2-则减少2摩尔，即：

D[S₂O₈^2-] = D[S₂O₃^2-] /2

记录从反应开始到溶液出现蓝色所需要的时间Dt 。由于在Dt 时间内S₂O₃^2-全部耗尽，所以由Na₂S₂O₃的起始浓度可求D[S₂O₈^2-]，进而可以计算反应速率－D[S₂O₈^2-]/Dt。

对反应速率表示式v = k[S₂O₈^2-]^m[I^-]ⁿ的两边取对数，得

lgv = mlg[S₂O₈^2-]＋nlg[I^-]＋lgk

当[I^-]不变时，以lgv 对lg[S₂O₈^2-]作图，可得一直线，斜率即为m。同理，当[S₂O₈^2-]不变时，以lgv对lg[I^-]作图，可求得n。

求出m和n后，再由k = v/( [S₂O₈^2-]^m[I^-]ⁿ)，求得反应速率常数k。

反应速率常数k与反应温度T一般有以下关系：

lgk = lgA－E_a/( 2.30RT )(3)

式中E_a为反应的活化能，R为气体常数，T为绝对温度。测出不同温度时的k值，以lgk对1/T作图，可得一直线。由直线斜率（等于-E_a/2.30RT）可求得反应的活化能E_a。

实验内容

一、浓度对化学反应速率的影响

在室温条件下，按表1实验I ~Ⅴ中的药品用量，先用量筒量取碘化钾、硫代硫酸钠、硝酸钾和淀粉等溶液在烧杯中混合，另量取二硫酸铵溶液，在不断搅动下，将过二硫酸铵溶液迅速加到混合溶液中，同时计时，当溶液刚出现蓝色时，记录反应时间和室温。

表1 浓度对反应速率的影响室温：

二、温度对化学反应速率的影响

按表1实验IV中的药品用量，将装有碘化钾、硫代硫酸钠、硝酸钾和淀粉混合溶液的烧杯和装有过二硫酸铵溶液的小烧杯，放入高于室温10度的热水中恒温15分钟，将过二硫酸铵溶液迅速加到碘化钾等混合溶液中同时计时并不断搅动，当溶液刚出现蓝色时，记录反应时间。此实验编号记为VI。

同样方法在热水中进行高于室温20度的实验。此实验编号记为VII

将此两次实验数据VI、VII和实验IV的数据记入表中进行比较。

三、催化剂对化学反应速率的影响

按表1实验IV的药品用量，把碘化钾、硫代硫酸钠、硝酸钾和淀粉溶液加到150mL烧杯中，再加入2滴0.02mol^.L^-1Cu(NO₃)₂溶液，搅匀，然后迅速加入过二硫酸铵溶液，搅动、记时。将此实验的反应速率与表1中实验IV 的反应速率定性地进行比较可得到什么结论。

四、数据处理

算出各实验中的反应速率v，并填入实验报告的表中。

用下表中实验I、II、III的数据作lgv～lg[S₂O₈^2-]图，求出m；用实验I、IV、V的数据作lgv～lg[I^-]图，求出n。

求出m和n后，再算出各实验的反应速率常数k，把数据与计算结果填入实验报告中。

2. 试验温度对化学反应速率的影响；求活化能

按下表实验IV中的用量，把KI、Na₂S₂O₃、KNO₃和淀粉溶液加到150毫升烧杯中，把(NH₄)₂S₂O₈溶液加在另一个烧杯中。并把它们同时放在冰水浴中冷却。等烧杯中的溶液都冷却到0℃左右，把(NH₄)₂S₂O₈加到KI混合溶液中，同时开动秒表，并不断搅拌。当溶液刚出现蓝色时，立即停秒表。记下反应时间。

在约10℃、20℃、30℃的条件下，重复以上实验。这样就可以得到四个温度（0℃、10℃、20℃、30℃）下的反应时间。算出四个温度下的反应速率及速率常数，把数据及计算结果填入实验报告中。

用各次实验的lgk对1/T作图，求出反应(1)的活化能。

3. 试验催化剂对反应速率的影响

Cu(NO₃)₂可以使(NH₄)₂S₂O₈氧化KI的反应加快。

按下表中实验IV的用量把KI、Na₂S₂O₃、KNO₃和淀粉溶液加到150毫升烧杯中，再加入1滴0.02 mol·dm^-3 Cu(NO₃)₂溶液，搅匀，然后迅速加入(NH₄)₂S₂O₈溶液、搅拌、记时。将1滴Cu(NO₃)₂溶液改成2滴和3滴，分别重复上述试验。把结果填入实验报告的表中。把实验的反应速率与试验2中室温下的反应速率进行比较，得出结论。