“化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的測定”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

孫 娜，諸葛炳森

(安徽工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

“化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的測定”是無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要實(shí)驗(yàn)之一，該實(shí)驗(yàn)圍繞化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)展開，其對(duì)關(guān)鍵參數(shù)如化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的研究是確定反應(yīng)過程條件參數(shù)如溫度、濃度、催化劑、壓力等外界因素對(duì)反應(yīng)速率影響的重要內(nèi)容，這對(duì)優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)選擇性及主反應(yīng)速率，使反應(yīng)朝著設(shè)想的方向進(jìn)行，具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。該實(shí)驗(yàn)以(NH4)2S2O8與KI的反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過引入Na2S2O3并利用I3-與淀粉的顯色反應(yīng)判斷實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)并記錄反應(yīng)時(shí)間[3]，通過數(shù)據(jù)處理得到整個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的反應(yīng)速率、反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)及反應(yīng)活化能等數(shù)據(jù)，分析反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的影響，加深對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的基本技能；

2)掌握反應(yīng)物條件(濃度、溫度)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律；

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算反應(yīng)速率、反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)及反應(yīng)活化能。

2 實(shí)驗(yàn)原理

(NH4)2S2O8和KI在水溶液中發(fā)生如下反應(yīng)：

S2O82-(aq)+3I-(aq)=2SO42-(aq)+I3-(aq)

(1)

平均反應(yīng)速率計(jì)算公式：

為了測出在一定時(shí)間(Δt)內(nèi)S2O82-的濃度變化，在混合(NH4)2S2O8和KI溶液的同時(shí)，加入一定體積的已知濃度的Na2S2O3溶液和淀粉溶液，這樣在反應(yīng)(1)進(jìn)行的同時(shí)，還有以下反應(yīng)發(fā)生：

2S2O32-(aq)+I3-(aq)=S4O62-(aq)+3I-(aq)

(2)

反應(yīng)(2)的速率遠(yuǎn)大于反應(yīng)(1)，因此，反應(yīng)(1)生成的I3-會(huì)立即與S2O32-反應(yīng)生成無色的S4O62-和I-。從而在反應(yīng)開始的一段時(shí)間內(nèi)，溶液呈無色，但當(dāng)Na2S2O3一旦耗盡，由反應(yīng)(1)生成的微量I3-就會(huì)立即與淀粉作用，使溶液呈藍(lán)色，由此可以判斷反應(yīng)終點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)中，由于每份混合液中Na2S2O3的起始濃度都相同，因而Δc(S2O32-)也是相同的，這樣，只要記下從反應(yīng)開始到出現(xiàn)藍(lán)色所需要的時(shí)間(Δt)，就可以算出一定溫度下該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率：

=-Δc(S2O32-)/2Δt

=c0(S2O32-)/(2Δt)

由阿倫尼烏斯公式(Arrhenius)公式k=Ae-Ea/RT變形得lgk=A-Ea/2.303RT

其中，A：指前因子，Ea：反應(yīng)的活化能，R：摩爾氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)，T：熱力學(xué)溫度(K)。求出不同溫度時(shí)的k值后，以lgk對(duì)T-1作圖，由直線的斜率-Ea/2.303RT可求得反應(yīng)的活化能Ea。

3 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1)實(shí)驗(yàn)試劑：(NH4)2S2O8(0.2 mol·L-1)，KI(0.2 mol·L-1)，Na2S2O3(0.05 mol·L-1), KNO3(0.2 mol·L-1)，(NH4)2SO4(0.2 mol·L-1)，淀粉溶液(1%)，Cu(NO3)2(0.02 mol·L-1)。

2)儀器：秒表，磁力攪拌器，燒杯，量筒(10 mL)，一次性吸管(1 mL)，恒溫水浴鍋，冰浴裝置。

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果討論

4.1 濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，求反應(yīng)級(jí)數(shù)、速率系數(shù)

在室溫下，各反應(yīng)物用量如表1所示，當(dāng)加入(NH4)2S2O8溶液時(shí)，立即計(jì)時(shí)，并用磁力攪拌器將溶液混合均勻，待溶液開始變藍(lán)時(shí)停止計(jì)時(shí)，記下時(shí)間Δt和溫度。

表1 反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(室溫12℃)

分析可知，當(dāng)保持其他條件相同時(shí)，隨反應(yīng)物濃度的增加，其反應(yīng)速率增大，如加入的S2O82-濃度增加2倍(或4倍)，其反應(yīng)速率從3.94×10-6mol L-1s-1增大到8.46×10-6mol L-1s-1(或17.08×10-6mol L-1s-1)。以上結(jié)果可用碰撞理論解釋：在保持其他條件一致的情況下，增加反應(yīng)物濃度，單位體積內(nèi)活化分子總數(shù)增多，有效碰撞次數(shù)增多，進(jìn)而反應(yīng)速率增快。

4.2 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響，求活化能

按表1中實(shí)驗(yàn)序號(hào)1的試劑用量，改變反應(yīng)溫度分別為冰浴(0 ℃)和水浴(40 ℃)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算3個(gè)溫度下的反應(yīng)速率及速率系數(shù)(表2)。當(dāng)溫度由0 ℃升至12 ℃，其反應(yīng)速率增大約1.4倍(由7.2×10-6mol L-1s-1提高到17.08×10-6mol L-1s-1)，當(dāng)溫度由室溫提高到40 ℃時(shí)，其反應(yīng)速率增大到130.2×10-6mol L-1s-1，約增大6.6倍。這些結(jié)論均與理論認(rèn)知相符，一般而言，溫度每升高10 ℃，反應(yīng)速率增大1～4倍。若用碰撞理論解釋：當(dāng)溫度升高時(shí)，活化分子百分比增多，同時(shí)碰撞頻率升高，單位體積內(nèi)有效碰撞次數(shù)增加，進(jìn)而反應(yīng)速率增快。

表2 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

活化能Ea表示一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需要的最小能量即反應(yīng)物分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿铀枰哪芰?，可以用來表示化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的難易程度。利用表2中不同溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的k，作lgk-T-1圖(圖1)，根據(jù)Arrhenius公式Ea=直線斜率×(-2.303R)求出反應(yīng)的活化能為51.70 kJ mol-1，這與標(biāo)準(zhǔn)值51.8 kJ mol-1相一致。

圖1 阿倫尼烏斯擬合曲線圖

5 結(jié)語

化學(xué)反應(yīng)速率與活化能的測定實(shí)驗(yàn)證明增加反應(yīng)物濃度或者提高溫度均可使反應(yīng)速率得到提高，這為反應(yīng)的設(shè)計(jì)提供方向。該實(shí)驗(yàn)作為綜合性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)已在我?；瘜W(xué)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)多年，其實(shí)驗(yàn)操作簡單，應(yīng)用性強(qiáng)，整個(gè)過程以學(xué)生為主體，積極主動(dòng)地進(jìn)行探索，有利于其將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)過程現(xiàn)象建立鏈接，深化對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，有助于在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程，掌握反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化途徑，對(duì)鍛煉學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作能力，提高數(shù)據(jù)處理及分析等能力，培養(yǎng)自身基本科研素養(yǎng)以及其他課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。