實(shí)驗(yàn)七　化學(xué)反應(yīng)速率和活化能的測定

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

1.了解濃度、溫度和催化劑對反應(yīng)速率的影響。

2.測定過二硫酸銨與碘化鉀反應(yīng)的反應(yīng)速率，并計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)活化能。

3.練習(xí)在水浴中保持恒溫的操作。

4.練習(xí)用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【實(shí)驗(yàn)原理】

過二硫酸銨與碘化鉀在水溶液中的離子反應(yīng)方程式為：

根據(jù)速率方程，反應(yīng)速率v可表示為：

式中，v為瞬時(shí)速率；α+β為總反應(yīng)級(jí)數(shù)。

若平均速率表示為，則

即當(dāng)Δt較小時(shí)，平均速率近似等于反應(yīng)的瞬時(shí)速率v。

為了能測得反應(yīng)在Δt時(shí)間內(nèi)濃度的改變值，需要在混合（NH4）2S2O8和KI溶液的同時(shí)，注入一定體積的濃度已知的Na2S2O3和淀粉溶液，則上述反應(yīng)的同時(shí)還進(jìn)行下列反應(yīng)：

該反應(yīng)十分快，因此在反應(yīng)開始階段看不到藍(lán)色，一旦Na2S2O3耗盡，溶液就會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色，據(jù)反應(yīng)物的物質(zhì)的量的關(guān)系可得：

通過測定從混合到呈現(xiàn)藍(lán)色的時(shí)間Δt和Na2S2O3的濃度（即），便可得該反應(yīng)的平均速率，該平均速率近似等于反應(yīng)的起始瞬時(shí)速率v。

測定反應(yīng)級(jí)數(shù)α、β的方法如下：因，故

保持I-的濃度不變，只改變的濃度，則常數(shù)，通過測定兩個(gè)不同濃度的起始瞬時(shí)速率v，便可計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)α，同理保持的濃度不變，可計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)β。

測定活化能Ea的方法如下：已知反應(yīng)級(jí)數(shù)α，β，可通過求得反應(yīng)速率常數(shù)k，由阿侖尼烏斯公式可知lgk=-+常數(shù)，測出不同溫度下反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k，以lgk為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)作圖，得一直線，其斜率為，即可算出活化能Ea。

【儀器與試劑】

1.儀器　量筒、燒杯、秒表、溫度計(jì)。

2.試劑　KI（0.20mol·L-1）、Na2S2O3（0.010mol·L-1）、淀粉溶液（0.2%）、（NH4）2S2O8（0.20mol·L-1）、KNO3（0.20mol·L-1）、（NH4）2SO4（0.20mol·L-1）、（0.02mol·L-1）。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

1.實(shí)驗(yàn)濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

在室溫下，取3個(gè)量筒分別量取20mL 0.20mol·L-1KI溶液、8.0mL 0.010mol·L-1 Na2S2O3溶液和 4.0mL 0.2%淀粉溶液，均加到150mL燒杯中，混合均勻。再用另一個(gè)量筒取 20mL 0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液，快速加到燒杯中，同時(shí)開動(dòng)秒表，并不斷攪拌。當(dāng)溶液剛出現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，立即停秒表，記下時(shí)間及室溫。用同樣的方法按照表3-4中的用量進(jìn)行另外4次實(shí)驗(yàn)。為了使每次實(shí)驗(yàn)中的溶液的離子強(qiáng)度和總體積保持不變，不足的量分別用0.20mol·L-1KNO3溶液和0.20mol·L-1（NH4）2SO4溶液補(bǔ)足。

用表3-4中實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的數(shù)據(jù)作圖求出α，用實(shí)驗(yàn)Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ的數(shù)據(jù)作圖求出β，然后再計(jì)算出反應(yīng)速率常數(shù)k。

2.溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

按表3-4實(shí)驗(yàn)Ⅳ中的用量，把 KI、Na2S2O3、KNO3和淀粉的混合溶液加到150mL燒杯中，把（NH4）2S2O8溶液加到另一個(gè)燒杯中，并將兩個(gè)燒杯放入冰水浴中冷卻。等燒杯中的溶液都冷到0℃時(shí)，把（NH4）2S2O8溶液加到 KI混合溶液中，同時(shí)開動(dòng)秒表，并不斷攪拌，當(dāng)溶液剛出現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，記下反應(yīng)時(shí)間。

在10℃、20℃和30℃的條件下，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。將結(jié)果填于表3-5中。用表3-5的數(shù)據(jù)，以lgk對1/T作圖，求出反應(yīng)的活化能。

3.催化劑對反應(yīng)速率的影響　

在150mL燒杯中加入10mL 0.20mol·L-1 KI溶液、4.0mL淀粉溶液、8.0mL 0.010mol·L-1 Na2S2O3 溶液和 10mL 0.20mol·L-1 KNO3 溶液，再加入 1 滴0.02mol·L-1 Cu（NO3）2溶液。攪拌均勻，然后迅速加入20mL 0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液，攪拌，記下反應(yīng)時(shí)間，并與前面不加催化劑的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

【數(shù)據(jù)處理與結(jié)論】

通過作圖計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)α、β、α+β以及反應(yīng)速率常數(shù)k和活化能Ea。

【思考題】

1.根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，是否能確定反應(yīng)級(jí)數(shù)？用本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果加以說明。

2.若不用S2，而用I-或的濃度變化來表示反應(yīng)速率，則反應(yīng)速率常數(shù)k是否一樣？

3.實(shí)驗(yàn)室中為什么可以由溶液中出現(xiàn)藍(lán)色的時(shí)間長短來計(jì)算反應(yīng)的速率？反應(yīng)溶液出現(xiàn)藍(lán)色后，反應(yīng)是否就終止了？

4.用阿侖尼烏斯公式計(jì)算反應(yīng)的活化能，并與作圖法得到的值進(jìn)行比較。

5.下列操作對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？

（1）取用七種試劑溶液前，多用滴管未洗干凈。

（2）先加（NH4）2S2O8溶液，最后加KI溶液。

（3）沒有迅速連續(xù)加入（NH4）2S2O8溶液。

（4）（NH4）2S2O8的用量過多或過少。