化學反應(yīng)速率與活化能測定實驗改進

李玥 周文吉 陳新麗 黃溦

摘 ? 要：通過對《化學反應(yīng)速率與活化能的測定》實驗中存在的問題進行分析，從實驗藥品、實驗儀器和試劑用量等三個方面對該實驗進行了改進，并探索了該改進方案的可行性，取得了較好的實驗結(jié)果。改進后的實驗不僅符合測定要求，而且節(jié)約了試劑，減少了廢液產(chǎn)量，進而縮減教學成本，從源頭降低了化學污染，符合綠色化學理念。

關(guān)鍵詞：化學反應(yīng)速率 ?活化能 ?半微量實驗 ?綠色化學

中圖分類號：O643.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0105-04

Abstract： By analyzing the existent problems of the determination of chemical reaction rate and activation energy， this paper puts forward suggestions for improvement from three aspects of reagent， experiment equipment and amount of reagents， and feasible exploration of this method has been done with good experiment result. The new method not only meet the teaching requirement of the experiment， but also able to save the reagents and reduce the emissions of wastewater， thereby saving the teaching cost and lowering chemical pollution from the source， which is consistent with the concept green chemistry.

Key Words： Chemical reaction rate; Activation energy; Semi-microexperiment; Green chemistry

《化學反應(yīng)速率與活化能的測定》是學習化學原理與常數(shù)測定方法的經(jīng)典實驗，是大學基礎(chǔ)化學或無機化學學習中必須掌握的內(nèi)容。通過調(diào)查多種版本教材中的實驗方案[1-4]，發(fā)現(xiàn)該實驗普遍是通過對過二硫酸銨與碘化鉀的氧化還原反應(yīng)進行測定，從而得出濃度，溫度和催化劑對化學反應(yīng)的影響，進一步計算出反應(yīng)速率常數(shù)，反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)的活化能等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 ?當前實驗存在的問題和不足

在實驗開展的過程中，我們發(fā)現(xiàn)該實驗有以下幾點不足：

（1）反應(yīng)物過二硫酸銨易分解[5]，試劑難以保存，部分分解的過二硫酸銨溶液導致所測的反應(yīng)時間Δt很短，給后續(xù)溫度和催化劑對反應(yīng)影響的測定實驗造成困難，難以準確計時對比，導致實驗失敗。

（2）該實驗試劑用量大，按照教材上的實驗方案，每個學生要完成實驗，理論上至少需要400mL不同溶液，同時隨之產(chǎn)生超過400mL廢液，我校每年約500名學生進行該實驗，即至少產(chǎn)生200L廢液，而實際實驗過程所用試劑量是理論用量的2～3倍，嚴重浪費藥品的同時，增加了廢液處理費用（目前已高達25元/L）。因此，無論是從藥品的購買成本還是廢液的處理成本，試劑用量大都造成了教育經(jīng)費的浪費。

（3）反應(yīng)在100mL燒杯中進行，反應(yīng)過程中會產(chǎn)生碘單質(zhì)，碘易揮發(fā)，有刺激性氣味，且碘蒸氣有毒，因此在敞口燒杯中進行，大量碘揮發(fā)，不僅污染環(huán)境，而且損害實驗師生身體健康[6]。另外，在攪拌過程中，反應(yīng)液很容易濺出燒杯，導致測得反應(yīng)時間不準確。

（4）該實驗所需玻璃儀器很多，學生在實驗攪拌等操作時，經(jīng)常打翻摔破儀器，特別是量筒，導致儀器損壞率較高。

（5）無論是試劑分解，溶液用量大，產(chǎn)生廢液多，還是玻璃儀器破損率高，都大大地增加了實驗員的工作量。

另外，隨著人民生活水平的提高，環(huán)保意識、健康意識都逐漸增強，在化學教學上也越來越提倡綠色化學，從源頭上節(jié)約資源，減少化學污染。因此，對于《化學反應(yīng)速率和活化能的測定》實驗的綠色化、半微型化改進探究十分有必要。

2 ?實驗部分

可從實驗藥品，實驗儀器和實驗用量三個方面來改進本實驗。首先，將易分解的過二硫酸銨替換為化學性質(zhì)穩(wěn)定過二硫酸鉀，為保證離子強度一致，同時將硫酸銨替換為硫酸鉀;其次，用定量取液器盛放各反應(yīng)液，不僅大大減少量筒用量，而且保證了試劑取用的準確性;第三，將常量實驗改為半微量實驗，減少試劑用量，縮減至教材用量的1/10，因此，總反應(yīng)溶液量僅為5mL，可用試管替代燒杯作為反應(yīng)容器，且不需要玻璃棒攪拌，同時，試管口較小，能夠減少碘的揮發(fā)。

2.1 濃度對反應(yīng)速率的影響

為證明該方法的可行性，我們進行了驗證實驗。在室溫條件下，用定量取液器按照表1中各試劑用量分別取0.20 mol/L KI溶液、0.010 mol/L Na2S2O3溶液、0.2%淀粉溶液、0.20 mol/L KNO3溶液和0.20 mol/L K2SO4溶液于試管中，混合均勻后，迅速量取0.20 mol/L K2S2O8溶液至試管，同時啟動秒表開始計時，并不斷振蕩試管，盡量保持勻速，當觀察到溶液剛出現(xiàn)藍色時，立即停止計時，記錄反應(yīng)時間Δt/s，并計算相關(guān)數(shù)據(jù)填于表1。

計算出對應(yīng)的lgr、lgc（S2O82-）和lgc（I-）。選取I、II和III的實驗數(shù)據(jù)，以lgr～lgc（S2O82-）作圖，擬合一條直線，斜率即為m值;同理，選取I，IV和V的數(shù)據(jù)，以lgr～lgc（I-）作圖，擬合的直線斜率為n值。用Origin處理后得到圖1和2，由圖可知m=1.014≈1，n=1.009≈1，此反應(yīng)為二級反應(yīng)，符合理論結(jié)果，初步證明改進后的實驗具有可行性。

2.2 溫度對反應(yīng)速率的影響

隨后，我們又驗證了溫度對反應(yīng)速率的影響?？紤]到溫度過高，反應(yīng)速度太快，反應(yīng)時間難以記錄或記錄誤差大;而溫度太低，反應(yīng)速度過慢，影響實驗進程，因此選擇在高于室溫約10℃和20℃的條件下探究溫度對該反應(yīng)的影響。按照表1中IV的各試劑用量，將裝有0.20 mol/L KI溶液、0.010 mol/L Na2S2O3溶液、0.2% 淀粉溶液和0.20 mol/L KNO3溶液的試管與另一支裝有0.20 mol/L K2S2O8溶液的試管分別水浴加熱，待到達目標溫度后，快速將過二硫酸鉀溶液倒入混合溶液的試管中，同時按下秒表開始計時，勻速振蕩試管，觀察溶液變藍后立刻停止計時，測量反應(yīng)后溶液的溫度（由于反應(yīng)時間較短，測量反應(yīng)時的溫度操作難度很大，所以可用變藍后溶液的溫度近似作為反應(yīng)溫度），記錄反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度于表2。

2.3 活化能的計算

由反應(yīng)速率公式r=kc（S2O82-）nc（I-）n可得lgr=mlgc（S2O82-）+nlgc（I-）+lgk，其中m=1，n=1，可求得lgk。再根據(jù)Arrhenius公式，以lgk～1/T作圖，擬合一條直線（如圖3），由斜率即可求得該反應(yīng)的活化能Ea=49.7kJ·mol-1，與文獻報道的活化能51.8kJ·mol-1相比，誤差不到5%，在合理范圍內(nèi)，再次證明改進后的實驗具有可行性。

3 ?改進實驗優(yōu)勢討論

在實驗藥品上，用化學性質(zhì)穩(wěn)定的K2S2O8替代易分解的（NH4）2S2O8，同時為保證離子強度一致，將（NH4）2SO4替換為K2SO4，既節(jié)約了藥品的使用，減少了廢液的產(chǎn)生，又保證了實驗的穩(wěn)定性。

在實驗用量上，常量實驗改為半微量實驗，試劑用量和廢液的產(chǎn)生量都變?yōu)樵瓉淼?/10，大大減少了試劑購買成本、廢液處理成本以及實驗室工作人員的人工成本。

在實驗儀器上，用定量取液器代替量筒量取反應(yīng)液，不僅大大減少了量筒的用量，而且避免了試劑多次轉(zhuǎn)移，即減小了實驗誤差;試管替代燒杯作為反應(yīng)容器，不需要玻璃棒攪拌的同時，可減少碘單質(zhì)的揮發(fā)。

改進后的實驗在滿足實驗要求的前提下，不僅減少了試劑和玻璃儀器的使用，節(jié)約了教學經(jīng)費，使之可操作性更強，而且從源頭上減少了廢液的產(chǎn)生，從而避免化學污染，符合國家提倡的綠色化學理念[7-9]。

4 ?結(jié)論

本文從實驗藥品，實驗用量和實驗儀器三個方面對原教材實驗進行了改進。改進后的微型實驗在現(xiàn)有的實驗室基礎(chǔ)上只需添置定量取液器即可進行，且實驗得出的m.n.Ea等誤差較小，具有較高的準確性，完全符合實驗要求。同時，響應(yīng)了國家綠色化學的號召，因此可用改進后的半微量實驗替代原實驗作為學生實驗。

參考文獻

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