化學(xué)反應(yīng)速率及活化能的測定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

劉永紅，張宜欣，古同男

（首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院，北京 101300）

化學(xué)反應(yīng)速率及活化能的測定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

劉永紅，張宜欣，古同男

（首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院，北京 101300）

反應(yīng)速率；活化能；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“化學(xué)反應(yīng)速率及活化能的測定”是醫(yī)學(xué)院校本、?？茻o機(jī)化學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中的一項(xiàng)必做實(shí)驗(yàn)。我院用的實(shí)驗(yàn)教材是《醫(yī)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》［1］，書中是通過用過硫酸銨與碘化鉀這一慢速反應(yīng)測定在不同濃度、溫度下反應(yīng)速率的差異去求速率常數(shù)、反應(yīng)級數(shù)及活化能，讓學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)知識，學(xué)會數(shù)據(jù)的記錄及處理［2］。其中，過硫酸銨容易分解，試劑浪費(fèi)嚴(yán)重，且低溫反應(yīng)時(shí)易出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大。改用過硫酸鉀替代過硫酸銨，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化、微型化［3］，收到了良好的實(shí)驗(yàn)效果，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹如下。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及試液

1.1 儀器

恒溫水浴箱、燒杯（50 ml，150 ml）、秒表、電磁攪拌器、吸量管［4］（1 ml，2 ml，5 ml，10 ml）、試管等。

1.2 試液

K2S2O8（0.10 mol/L）、KI（0.20 mol/L）、Na2S2O3（0.01mol/L）、KNO3（0.20 mol/L）、K2SO4（0.10 mol/L）、淀粉溶液（0.2%）、Cu（NO3）2（0.02 mol/L）。

2 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)及比較

2.1 濃度對化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)級數(shù)、速率常數(shù)的影響（見表1～2）

表1 實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)后濃度對化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)級數(shù)、速率常數(shù)的影響

表2 教材中濃度對化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)級數(shù)、速率常數(shù)的影響

室溫條件下，按照表1中實(shí)驗(yàn)序號1的試劑用量，用吸量管分別量取溶液，除將K2S2O8溶液盛于干燥的小試管外，其余溶液都加入一個(gè)干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻后，將小試管中的K2S2O8溶液快速加入燒杯中，同時(shí)啟動秒表，當(dāng)溶液剛出現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，立即按停秒表，記錄反應(yīng)時(shí)間△t及反應(yīng)溫度。用同樣的方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)編號2、3、4、5所要求的試劑用量進(jìn)行另外4次實(shí)驗(yàn)。為了使每次實(shí)驗(yàn)中溶液離子強(qiáng)度和總體積保持不變，用0.10 mol/L的K2SO4溶液及0.20 mol/L的KNO3溶液調(diào)整。計(jì)算出相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)編號1、2、3的數(shù)據(jù)，以lgν對lgS2O82-作圖得到一條直線（見圖1），同理利用編號1、4、5的數(shù)據(jù)，以對lgI-作圖得到一條直線（見圖2），用Excel可快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理［5］。

圖1 lg對lgc（S2O82-）作圖

圖2對lgc（I-）作圖

與教材中實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知：在減少試劑用量的前提下，改進(jìn)前m=1.15，n=1.54，誤差較大，而改進(jìn)后由圖1和圖2可以看出，兩條直線的斜率m≈1，n≈1，反應(yīng)級數(shù)m+n=2，且誤差很小，說明改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)完全符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，且學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%，收到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

2.2 溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響（見表3～4）

表3 實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)后溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

表4 教材中溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

室溫條件下，按照表1中實(shí)驗(yàn)序號2的試劑用量，除將K2S2O8溶液盛于干燥的小試管外，其余溶液都加入一個(gè)干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻后，將盛有溶液的燒杯和試管同時(shí)放在冰水浴中，待燒杯和試管的溫度降到距室溫10℃時(shí)，將小試管中的K2S2O8溶液快速加入燒杯中，同時(shí)啟動秒表，當(dāng)溶液剛出現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，立即按停秒表，記錄反應(yīng)時(shí)間△t及反應(yīng)溫度。同樣的方法在低于或高于室溫10℃、20℃的條件下，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，記錄反應(yīng)時(shí)間△t及反應(yīng)溫度。計(jì)算出包括室溫在內(nèi)的反應(yīng)速率和反應(yīng)速率常數(shù)，把數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果填入表中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以lgk對作圖，可得一條直線（見圖3），由直線的斜率可以求出活化能。

圖3 lgk對作圖

從圖3可以看出，直線的斜率為-2 487.5，按Arrhenius公式計(jì)算其活化能的平均值。由直線斜率等于-Ea/2.30R可求反應(yīng)的活化能（Ea=47.63 kJ·mol），完全符合實(shí)驗(yàn)要求，取得了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教材中Ea=21.89 kJ·mol，比教材中的誤差明顯減小。

2.3 催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響（見表5～6）

表5 實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)后催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

表6 教材中催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

室溫條件下，按照表1中實(shí)驗(yàn)序號4的試劑用量做實(shí)驗(yàn)，注意在向燒杯中加入K2S2O8溶液之前，先分別加入1滴、5滴、10滴0.02 mol/L Cu（NO3）2溶液于干燥的K2S2O8試管內(nèi)，其余溶液都加入一個(gè)干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻，然后按照上述實(shí)驗(yàn)步驟1的方法操作。記錄反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算反應(yīng)速率，填入表5中。將反應(yīng)速率與表1中實(shí)驗(yàn)序號4的反應(yīng)速率進(jìn)行比較。

通過比較可知：實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)后化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短了、反應(yīng)速率加快了，但要注意，一定要把催化劑加到K2S2O8溶液的試管內(nèi)，如果按照教材的順序加入，反應(yīng)現(xiàn)象不明顯或容易出現(xiàn)計(jì)時(shí)錯(cuò)誤。

3 結(jié)果與討論

3.1 試劑用量少，試劑保存的時(shí)間長，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：同樣濃度的過硫酸鉀溶液放置近4個(gè)月仍然不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明過硫酸鉀溶液比過硫酸銨溶液要穩(wěn)定，在減小濃度、減少試劑用量的基礎(chǔ)上［6］，如原實(shí)驗(yàn)方案的試劑濃度0.20 mol/L，10 ml；改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)試劑濃度為0.10 mol/L，5 ml，為保持反應(yīng)中溶液的離子強(qiáng)度不變，用K2SO4代替（NH4）2SO4。在綠色化學(xué)思想下改革常規(guī)實(shí)驗(yàn)以阻止化學(xué)污染［7］，在保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的情況下用盡可能少的試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大地節(jié)省了試劑［8］，最大限度地降低了化學(xué)污染的可能性。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間縮短了，反應(yīng)的速率加快了，誤差減小，重現(xiàn)性好［9］，且可以節(jié)省試劑，減少污染。

3.2 實(shí)驗(yàn)效果好，成功率高

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加接近文獻(xiàn)值m≈1（0.997，R2=0.999），n≈1（1.081，R2=1.081），反應(yīng)級數(shù)m+n=2，且誤差很小，說明實(shí)驗(yàn)完全符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，且學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率達(dá)到100%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意，收到了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.3 簡化了操作，提高了實(shí)驗(yàn)效率

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)改變了以往化學(xué)反應(yīng)速率和活化能的測定必須在嚴(yán)格溫差下進(jìn)行的慣例，只需10℃左右甚至更小的溫差都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡化了操作，有效地提高了實(shí)驗(yàn)效率［3］。

綜上所述，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)成功率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且兼顧微型化、綠色化的要求。

［1］張學(xué)東，丁秋玲.醫(yī)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)教程［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

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［7］劉小忠.化學(xué)反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（3）：39-41.

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1671-1246（2015）14-0080-03