Excel軟件應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的測定

舒 婷

（湖北科技學(xué)院 藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100）

化學(xué)反應(yīng)速率屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)范疇，在化工、醫(yī)藥、生命科學(xué)、環(huán)境工程等多種學(xué)科都有重要應(yīng)用。在大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的測定是化學(xué)專業(yè)、藥學(xué)專業(yè)和醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生都要求掌握的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果涉及到大量的數(shù)據(jù)，圖形和計(jì)算處理。Excel軟件是最為常用的數(shù)據(jù)處理軟件，在各種領(lǐng)域都有其應(yīng)用的報(bào)道[1-6]。本文用Excel軟件處理（NH4）2S2O8氧化KI反應(yīng)的反應(yīng)速率與活化能測定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅使數(shù)據(jù)處理更加快速和準(zhǔn)確，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生入門，掌握計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的方法。

1 考察濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，求出反應(yīng)的速率方程

1.1 鍵入數(shù)據(jù)

打開Excel軟件進(jìn)入數(shù)據(jù)工作表狀態(tài)，A列表示反應(yīng)時(shí)間（s），在A1鍵入△t，B列表示（NH4）2S2O8的初始濃度（mol·L-1），在B1鍵入（NH4）2S2O8，C列表示KI的初始濃度（mol·L-1），在C1鍵入KI，D列表示Na2S2O3的初始濃度（mol·L-1），在D1鍵入Na2S2O3。

（1）在A2-A6鍵入243.3，124.8，60.2，122.5，240.7。

（2）在B2-B6鍵入0.02，0.04，0.08，0.08，0.08。

（3）在C2-C6鍵入0.08，0.08，0.08，0.04，0.02。

（4）在D2鍵入0.0016，按住右下角的十字架拖動(dòng)到D6，則D2到D6均顯示0.0016。

1.2 處理數(shù)據(jù)，繪制曲線，求出反應(yīng)級(jí)數(shù)m，n 和反應(yīng)速率常數(shù)k

（1）在E1鍵入v，在E2鍵入“=D:D/A:A”，則E列表示反應(yīng)速率，按住右下角的十字架拖動(dòng)到E6，自動(dòng)算出各反應(yīng)速率。

（3）在G1鍵入lg[I-]，按照上述方法在G2插入“LOG10”函數(shù)，在“number”中輸入“C:C”，按Enter鍵，則G列表示碘化鉀濃度的對數(shù)，按住右下角的十字架拖動(dòng)到G6，自動(dòng)算出各碘化鉀濃度的對數(shù)。

（4）在H1鍵入lgv，按照上述方法在H2插入“LOG10”函數(shù)，在number中輸入“E:E”，按Enter鍵，則H列表示反應(yīng)速率的對數(shù)。按住右下角的十字架拖動(dòng)到H6，自動(dòng)算出各反應(yīng)速率的對數(shù)。

（5）選擇F2-F4，按住Ctrl鍵，選擇H2-H4，點(diǎn)擊“插入”，“圖表”，選擇“散點(diǎn)圖”，選擇“平滑線散點(diǎn)圖”，在圖中的直線上點(diǎn)擊右鍵，選擇“添加趨勢線”，選擇“直線”，選擇“公式”和“顯示R的平方”，得到圖1。圖1顯示直線方程y=1.0083x-3.4734，R=0.9996，該直線的斜率是1.0083，可求出m ≈1，與文獻(xiàn)結(jié)果一致。

圖1 反應(yīng)級(jí)數(shù)m 的測定結(jié)果Fig.1 The measure result of reaction order m

（6）選擇G4-G6，按住Ctrl鍵，選擇H4-H6，點(diǎn)擊“插入”，“圖表”，選擇“散點(diǎn)圖”，選擇“平滑線散點(diǎn)圖”，在圖中的直線上點(diǎn)擊右鍵，選擇“添加趨勢線”，選擇“直線”，選擇“公式”和“顯示R 的平方”，得到圖2。圖2顯示直線方程y=0.9999x-3.4807，R=0.9999，該直線的斜率是0.9999，可求出n ≈1，與文獻(xiàn)結(jié)果一致。

圖2 反應(yīng)級(jí)數(shù)n 的測定結(jié)果Fig.2 The measure result of reaction order n

（7）在I1鍵入k，在I2鍵入“=E:E/（B:B*C:C）”，按住右下角的十字架拖動(dòng)到I6，自動(dòng)算出反應(yīng)的速率常數(shù)。

2 考察溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，求出反應(yīng)的活化能

固定反應(yīng)物的濃度和組成，通過在室溫（285K），室溫+10℃（295K），室溫+20℃（300K）3個(gè)不同溫度下測出反應(yīng)時(shí)間，求出不同溫度下反應(yīng)的速率常數(shù)k，根據(jù)Arrhenius公式，反應(yīng)速率常數(shù)k與反應(yīng)溫度T 的關(guān)系為lg k=A-Ea/2.303RT，以lg k～1/T 作圖，即可求出反應(yīng)的活化能。利用Excel軟件可以快速準(zhǔn)確地求出活化能。具體操作：

2.1 鍵入數(shù)據(jù)

（1）在J1鍵入T，在J7-J9鍵入285，295，305，J列表示反應(yīng)溫度（K），

（2）在A7-A9鍵入124.8，63.4，30.6，表示反應(yīng)時(shí)間。

（3）在B7-B9鍵入0.04，表示過硫酸銨的初始濃度。

（4）在C7-C9鍵入0.08，表示碘化鉀的初始濃度。

2.2 處理數(shù)據(jù)，求出反應(yīng)的活化能

（1）將E列的右下角的十字架按住，拖出E7-E9，自動(dòng)算出反應(yīng)速率。

（2）將I列的右下角的十字架按住，拖出I7-I9，自動(dòng)算出反應(yīng)速率常數(shù)。

（3）在K1鍵入1/T，在K7鍵入“=1/J:J”，則K列表示反應(yīng)溫度的倒數(shù)，按住右下角的十字架，拖出K7-K9，自動(dòng)算出反應(yīng)溫度的倒數(shù)。

（4）在L1鍵入lg k，在L6鍵入“=LOG10（I:I）”，M列表示反應(yīng)速率常數(shù)的對數(shù)，按住右下角的十字架，拖出L7-L9，自動(dòng)算出反應(yīng)速率常數(shù)的對數(shù)。

（5）選擇K7-K9以及L7-L9，點(diǎn)擊“插入”，“圖表”，選擇“散點(diǎn)圖”，選擇“平滑線散點(diǎn)圖”，在圖中的直線上點(diǎn)擊右鍵，選擇“添加趨勢線”，選擇“直線”，選擇“公式”和“顯示顯示R的平方”，得到圖3。圖3顯示直線方程為y=-2679.1x+6.9977，R=0.9986，直線的斜率為-E a/2.303R，R 為氣體常數(shù)8.314 J·（K·mol）-1，由此求出反應(yīng)的活化能為51.3kJ·mol-1，活化能的文獻(xiàn)值為51.9kJ·mol-1，實(shí)驗(yàn)誤差為（文獻(xiàn)值-實(shí)驗(yàn)值）/實(shí)驗(yàn)值×100%=1.2%，不超過±5%，符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖3 活化能的測定結(jié)果Fig.3 The measure result of activation energy

操作完畢后，Excel表格顯示為表1。

表1 實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)表Tab.1 The original experimental data and calculated data table

從表1看出，當(dāng)KI濃度不變時(shí)，（NH4）2S2O8的濃度增加一倍或二倍，反應(yīng)速率相應(yīng)增加約1倍或2倍，即反應(yīng)速率與反應(yīng)物（NH4）2S2O8的濃度成正比，因此m=l；當(dāng)（NH4）2S2O8的濃度不變，KI濃度的增加一倍或二倍,反應(yīng)速率相應(yīng)增加約一倍或二倍，,即反應(yīng)速率與反應(yīng)物KI的濃度成正比，因此，n=1；與作圖得到的結(jié)果一致。還可看出，溫度每升高10K，反應(yīng)速率常數(shù)增加約兩倍，符合范特霍夫經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

3 結(jié)論

化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理非常麻煩，涉及大量計(jì)算和多個(gè)圖形，利用Excel軟件的函數(shù)和自動(dòng)計(jì)算功能可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，而利用其作圖和曲線擬合功能可以提高計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性。將Excel軟件應(yīng)用于大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力有著重要意義。

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