催化光度法測定伊文思藍(lán)褪色反應(yīng)速率常數(shù)
——推薦一個物理化學(xué)新實驗

徐俊暉，戢凌俊，孫琳，楊玉蓉，鐘敏，王亞珍

江漢大學(xué)光電材料與技術(shù)學(xué)院，武漢 430056

丙酮碘化反應(yīng)是物理化學(xué)實驗課程內(nèi)的一個重要實驗項目[1]，但在教學(xué)過程中常存在由于反應(yīng)速率較快、實驗數(shù)據(jù)采集麻煩[2]，以及碘水溶性差、易附著在容量瓶及比色皿內(nèi)壁不易清洗等問題。作為復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)研究的一個經(jīng)典學(xué)生實驗，自將測量方法從目視比色法或滴定法改成分光光度法后[3,4]，很少有人探討本實驗的進一步改進措施或者替代方案。催化動力學(xué)光度法是在普通光度法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高靈敏度分析方法，其基本原理是：基于反應(yīng)速率與具有催化效果的待測物濃度之間的定量關(guān)系，通過測量與反應(yīng)速率成比例的吸光度來計算待測物的濃度[5]。催化動力學(xué)光度法一般用于物質(zhì)濃度分析，較少用于化學(xué)動力學(xué)的研究。本實驗基于催化動力學(xué)光度法的原理，提出了一個亞硝酸鈉作用下溴酸鉀氧化伊文思藍(lán)褪色反應(yīng)體系，通過測量不同初始濃度及溫度下反應(yīng)系統(tǒng)吸光度的變化來計算相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，可以促進學(xué)生對影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、活化能、催化作用等動力學(xué)知識的理解。另外，所用染料水溶性好、分子量大、溶液配制方便，而且反應(yīng)速率可以通過改變亞硝酸鈉濃度來調(diào)控，在實際教學(xué)中可以便于學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)，提高實驗效率。

1 教學(xué)內(nèi)容

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

(1) 查閱文獻(xiàn)，了解催化光度法的基本原理；

(2) 熟悉超級恒溫槽、紫外-可見分光光度計的使用方法；

(3) 掌握測定伊文思藍(lán)褪色反應(yīng)表觀速率常數(shù)和表觀活化能的方法。

1.2 實驗原理

伊文思藍(lán)(Evans Blue，EB)是一種人工合成的水溶性偶氮類染料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在酸性介質(zhì)中，伊文思藍(lán)能被溴酸鉀氧化褪色。在室溫下反應(yīng)速率非常慢，反應(yīng)可表示為：

圖1 伊文思藍(lán)(EB)

若有微量亞硝酸根存在，則反應(yīng)速率顯著增加。結(jié)合關(guān)于催化光度法研究的相關(guān)報道[6,7]可知，存在亞硝酸根時，除存在上述反應(yīng)外，可能涉及的反應(yīng)還有：

該反應(yīng)的機理非常復(fù)雜。實驗證實，在一定反應(yīng)物濃度范圍內(nèi)，該反應(yīng)在初期對伊文思藍(lán)和溴酸鉀均近似為一級。當(dāng)溴酸鉀大大過量時，其濃度在反應(yīng)過程中基本不變，可合并到表觀速率常數(shù)里，則速率方程可表示為：

或

式中：[EB]0為t= 0時伊文思藍(lán)的濃度，[EB]為t時刻伊文思藍(lán)的濃度。伊文思藍(lán)及其氧化產(chǎn)物在可見光區(qū)有寬的吸收帶，在此吸收帶中硫酸、溴酸鉀、亞硝酸鈉等沒有明顯的吸收，因此可通過系統(tǒng)吸光度的變化來度量反應(yīng)的進程。

按朗伯-比爾定律，在較低的濃度范圍內(nèi)，伊文思藍(lán)及其氧化產(chǎn)物的吸光度分別與其濃度成正比，反應(yīng)系統(tǒng)的吸光度則為兩者貢獻(xiàn)之和。若反應(yīng)時間為0、t、∞時溶液的吸光度分別為A0、At、A∞，b為溶液厚度(光徑長度)，則

可知A0-A∞= (ε1-ε2)b[EB]0、At-A∞= (ε1-ε2)b[EB]，代入公式(8)有

將上式改寫成：

由式(10)可以看出，如以ln(At-A∞)對t作圖可得一條直線，根據(jù)其斜率即可求得反應(yīng)的表觀速率常數(shù)k。其中，A∞可通過測量存在過量NaNO2時，反應(yīng)一段時間后系統(tǒng)的吸光度獲得。

在其他條件不變的情況下，改變溴酸鉀濃度，以lnk對lnc(KBrO3)作圖擬合直線，可根據(jù)該直線斜率確定溴酸鉀的分級數(shù)。

若由實驗求得不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，根據(jù)公式(11)，可計算反應(yīng)的表觀活化能：

1.3 實驗儀器和試劑

主要儀器：721E型可見分光光度計(帶恒溫夾套) (上海光譜儀器有限公司)，超級恒溫槽(南京桑力電子設(shè)備廠)，電子分析天平(上海精密儀器儀表有限公司)。

主要試劑：濃硫酸、亞硝酸鈉、溴酸鉀、抗壞血酸等均為分析純，伊文思藍(lán)為色譜純，均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.4 實驗步驟

1.4.1 溶液的配制

分別配制0.5 mol·L-1硫酸、0.5 g·L-1伊文思藍(lán)、0.1 mol·L-1溴酸鉀、5 mg·L-1亞硝酸鈉儲備溶液。向25 mL比色管中，依次加入蒸餾水20 mL、0.5 mol·L-1硫酸溶液0.50 mL、0.5 g·L-1伊文思藍(lán)溶液0.60 mL、0.1 mol·L-1溴酸鉀溶液1.0 mL，適當(dāng)搖勻溶液后加入5 mg·L-1亞硝酸鈉溶液0.50 mL并開始計時，用蒸餾水定容。根據(jù)需要在此基礎(chǔ)上改變?nèi)芤河昧?，配制其他組成的反應(yīng)溶液進行測量。

1.4.2 吸收曲線的測量

按照上述方法分別配制以下各組成的反應(yīng)溶液：

(a) 0.01 mol·L-1硫酸 + 12 mg·L-1伊文思藍(lán)；

(b) a + 4 mmol·L-1溴酸鉀；

(c) b + 0.1 mg·L-1亞硝酸鈉；

(d) b + 1 mg·L-1亞硝酸鈉。

靜置反應(yīng)20 min后，加入少量抗壞血酸使反應(yīng)停止，取樣加入到1 cm比色皿中，在440-760 nm范圍內(nèi)，采用721E型可見分光光度計依次測量吸收曲線，波長測量間隔為10 nm。

1.4.3 反應(yīng)速率常數(shù)的測量

為了解決糧食水分及質(zhì)量檢測方面的問題，應(yīng)當(dāng)從引進先進的檢測設(shè)備、技術(shù)和人員方面入手，提升糧食檢測方面的科學(xué)性、準(zhǔn)確性及有效性，為后續(xù)的糧食管理工作提供參考性數(shù)據(jù)[11]。有條件的企業(yè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合自身的糧食倉儲類型進行新型檢測設(shè)備的研發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的檢測設(shè)備及技術(shù)，對其中存在的問題進行處理和改良，對糧食當(dāng)中的水分及其他成分進行測量，結(jié)合測量結(jié)果給出科學(xué)的糧食存儲方案，避免糧食由于存儲方面的問題而變質(zhì)，造成成本流失[12]。

在恒溫25 °C、選定的工作波長下，維持其他組分濃度不變，分別測量溴酸鉀溶液用量為0.25、0.50、1.0、2.0 mL時吸光度隨時間的變化，一般間隔0.5-1 min記錄吸光度數(shù)值，一共記錄10-20 min，若反應(yīng)較慢時增大時間間隔并延長記錄時間。按照類似方法分別測量亞硝酸鈉溶液用量為0、0.10、0.20、0.50、1.0、2.0 mL時吸光度隨時間的變化。

1.4.4 活化能的測量

分別將恒溫槽溫度設(shè)定為25、35、45 °C，測量不同溫度下當(dāng)亞硝酸鈉溶液用量分別為0及0.50 mL時吸光度隨時間的變化。

1.5 注意事項

(1) 硫酸溶液的配制應(yīng)在通風(fēng)櫥中進行，攪拌下緩慢將濃硫酸加入水中；(2) 亞硝酸鈉溶液采用逐級稀釋法配制；(3) 配制反應(yīng)溶液時，蒸餾水、儲備溶液以及比色皿均需要預(yù)恒溫；(4) 測量吸收曲線時，每次改變波長后均需重新校正分光光度計。

2 實驗組織運行安排

2.1 開設(shè)對象及學(xué)時安排

本實驗以物理化學(xué)中的化學(xué)動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，面向化工、材料、藥學(xué)、環(huán)境等專業(yè)的二年級本科生開設(shè)，學(xué)生一般2人為一小組；共計12學(xué)時，分3次課完成，每次課主要內(nèi)容為：第一次課，教師講授實驗原理和方法并檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，學(xué)生實驗內(nèi)容包括測量吸收曲線、改變溴酸鉀初始濃度進行動力學(xué)測量；第二次課，學(xué)生實驗內(nèi)容為改變亞硝酸鈉的初始濃度進行動力學(xué)測量；第三次課，學(xué)生實驗內(nèi)容為改變溫度進行動力學(xué)測量。

2.2 實驗預(yù)習(xí)要求

實驗教學(xué)開始前，要求學(xué)生查閱資料，完成如下預(yù)習(xí)要求：(1) 復(fù)習(xí)反應(yīng)級數(shù)的確定、活化能、催化劑等化學(xué)動力學(xué)相關(guān)知識；(2) 了解伊文思藍(lán)的性質(zhì)，理解催化動力學(xué)光度法的基本原理；(3) 了解721E型分光光度計的使用方法；(4) 計算溶液配制所需各試劑和溶液的用量，撰寫預(yù)習(xí)報告。

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理要求

(1) 繪制不同反應(yīng)溶液的吸收曲線，確定工作波長；(2) 根據(jù)不同溴酸鉀初始濃度下的動力學(xué)數(shù)據(jù)繪圖，推導(dǎo)伊文思藍(lán)和溴酸鉀的分級數(shù)；(3) 根據(jù)不同亞硝酸鈉初始濃度下的動力學(xué)數(shù)據(jù)，繪圖并計算反應(yīng)速率常數(shù)，討論亞硝酸鈉對反應(yīng)的加速作用；(4) 根據(jù)不同溫度下的動力學(xué)數(shù)據(jù)計算活化能。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同反應(yīng)溶液的吸收曲線

伊文思藍(lán)的硫酸溶液呈藍(lán)色。不同反應(yīng)系統(tǒng)的吸收曲線如圖2所示。從圖中可以看出，伊文思藍(lán)在可見光區(qū)有很寬的吸收帶，最大吸收波長約610 nm，在后續(xù)動力學(xué)測量中選擇該值為工作波長；存在溴酸鉀時吸收略有減小，說明反應(yīng)較慢；若同時存在亞硝酸鈉，實驗中觀察到溶液逐漸變?yōu)樗{(lán)紫色，吸收曲線形狀基本不變，但吸光度顯著下降，說明反應(yīng)速率較快；若存在高濃度亞硝酸鈉，溶液顏色迅速從藍(lán)色變成淡紫紅色，說明反應(yīng)速率非?？欤涨€形狀明顯變化，最大吸收波長紫移至約520 nm，吸光度大大下降。以上結(jié)果表明亞硝酸根能顯著加速伊文思藍(lán)的褪色反應(yīng)。由于存在1 mg·L-1亞硝酸鈉時，氧化產(chǎn)物在610 nm也有一定的光吸收但基本不再隨時間變化(約為0.1)，因此可近似認(rèn)為反應(yīng)完全，溶液吸光度可視為A∞。

圖2 不同反應(yīng)溶液的吸收曲線

3.2 反應(yīng)級數(shù)的確定

圖3 KBrO3濃度的影響

表1 不同KBrO3初始濃度下的表觀反應(yīng)速率常數(shù)

3.3 亞硝酸鈉的影響

不同亞硝酸鈉濃度下反應(yīng)溶液吸光度隨時間的變化情況如圖4A所示。沒有亞硝酸鈉存在時反應(yīng)速率很?。患尤雭喯跛徕c后，溶液吸光度下降速率隨其濃度增加而迅速增加。ln(At-A∞)與反應(yīng)時間呈較好直線關(guān)系(圖4B)，根據(jù)各直線的斜率可以求得相應(yīng)的表觀反應(yīng)速率常數(shù)，結(jié)果見表2。在較低亞硝酸鈉濃度范圍內(nèi)，表觀速率常數(shù)與其濃度基本呈線性關(guān)系，進一步說明亞硝酸根對伊文思藍(lán)的褪色反應(yīng)具有加速作用。在本反應(yīng)中，亞硝酸根參與反應(yīng)的具體機理尚待進一步證實，但是亞硝酸根能顯著加速溴酸鉀氧化伊文思藍(lán)的反應(yīng)，說明亞硝酸根參與了反應(yīng)，改變了反應(yīng)途徑，起到了類似于催化劑的作用。

圖4 NaNO2濃度的影響

表2 不同NaNO2初始濃度下的表觀反應(yīng)速率常數(shù)

3.4 活化能的計算

圖5A給出了含或不含亞硝酸鈉時反應(yīng)溶液吸光度隨時間的變化關(guān)系。在研究的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，兩種反應(yīng)系統(tǒng)吸光度下降速率均加快。由ln(At-A∞)對反應(yīng)時間擬合直線斜率的變化，更直觀反映了溫度對表觀反應(yīng)速率常數(shù)的影響(見圖5B)。根據(jù)各直線的斜率可以求得相應(yīng)的表觀反應(yīng)速率常數(shù)，結(jié)果見表3；將不同溫度下的表觀速率常數(shù)代入公式(11)，可以計算得兩種反應(yīng)體系的活化能；活化能的參考值分別約為71 kJ·mol-1和45 kJ·mol-1，說明加入亞硝酸鈉后改變了反應(yīng)途徑，活化能顯著下降。

圖5 溫度的影響

表3 不同溫度下兩種反應(yīng)系統(tǒng)的表觀反應(yīng)速率常數(shù)

4 教學(xué)效果和反思

本實驗已于2022年春季和秋季分別應(yīng)用于化工、新能源材料與器件等專業(yè)物理化學(xué)實驗課程的教學(xué)，累計6個班217名學(xué)生參加了學(xué)習(xí)。從實驗完成情況來看，約78%的學(xué)生能在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，不能順利完成實驗的主要原因是溶液配制操作不熟練，甚至出錯導(dǎo)致重做。由于在第一次課時學(xué)生的操作相對不夠熟練，將前兩次課安排在同一天上下午進行，有利于學(xué)生合理分配時間，提高實驗效率；若多個班級連續(xù)進行該實驗，由指導(dǎo)教師事先配制好儲備溶液可以明顯提高學(xué)生的完成度，并較好地提高學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的一致性。

從實驗結(jié)果來看，所有同學(xué)都能得出該反應(yīng)在初始階段對伊文思藍(lán)和溴酸鉀均近似為一級、亞硝酸根對反應(yīng)有加速作用等正確結(jié)論；與活化能參考值相比，約52%的學(xué)生實驗結(jié)果相對誤差低于20%，約87%的學(xué)生實驗結(jié)果相對誤差低于50%。在同學(xué)期進行的丙酮碘化反應(yīng)實驗中，反應(yīng)初始時刻系統(tǒng)的吸光度就比較小，且由于要在碘濃度適中的基礎(chǔ)上保證催化劑及丙酮大大過量，反應(yīng)速率在室溫時就比較快，若反應(yīng)溫度較高，學(xué)生配制反應(yīng)溶液操作稍慢就難以記錄到足夠的有效實驗數(shù)據(jù)；與之相比，本實驗中反應(yīng)速率可以通過改變亞硝酸鈉濃度來調(diào)控，從而在溫度較高時仍有比較適中的反應(yīng)速率，學(xué)生更容易順利記錄實驗數(shù)據(jù)。其次，在沒有催化劑時丙酮碘化反應(yīng)速率極慢，很難通過實驗來求算反應(yīng)活化能，學(xué)生對加入催化劑前后活化能的變化幅度缺乏直觀認(rèn)識；而本實驗中不存在亞硝酸鈉時仍有一定的反應(yīng)速率，且活化能比較適中，可以通過不同溫度下的實驗數(shù)據(jù)來求算反應(yīng)活化能，有助于學(xué)生進一步理解催化劑改變反應(yīng)途徑、降低活化能的內(nèi)涵。最后，在丙酮碘化反應(yīng)實驗中碘殘留污染比色皿的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而本實驗中使用的伊文思藍(lán)水溶性非常好，基本不存在比色皿被污染變色的現(xiàn)象，有利于重復(fù)使用。從以上分析來看，本實驗可望在適當(dāng)簡化后作為丙酮碘化反應(yīng)實驗的替代項目。

本實驗涵蓋了簡單級數(shù)反應(yīng)的動力學(xué)特征、反應(yīng)級數(shù)的確定方法、活化能、催化動力學(xué)等眾多知識點，并涉及較多化學(xué)試劑的規(guī)范使用、溶液配制的規(guī)范操作等內(nèi)容，以及大量的實驗數(shù)據(jù)處理。學(xué)生通過本實驗的學(xué)習(xí)，加深了對上述理論知識的理解和實驗操作技能的掌握，并能鍛煉運用專業(yè)軟件處理實驗數(shù)據(jù)的能力。在實驗教學(xué)過程中適當(dāng)介紹亞硝酸鹽等的危害，有利于引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成綠色化學(xué)思維。本實驗將化學(xué)動力學(xué)的理論知識與化學(xué)實驗實踐技能有機結(jié)合，促進了學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、積極探索的科學(xué)態(tài)度的形成以及分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)；在教學(xué)過程中，篩選了3名優(yōu)秀學(xué)生參加了第三屆化學(xué)實驗創(chuàng)新設(shè)計大賽，榮獲華中賽區(qū)競賽一等獎。

5 結(jié)語

本文以伊文思藍(lán)為指示劑，提出了一個基于催化光度法的動力學(xué)實驗項目。在反應(yīng)初始階段，溴酸鉀氧化伊文思藍(lán)反應(yīng)對溴酸鉀和伊文思藍(lán)均近似為一級，亞硝酸根的加入大大降低了反應(yīng)的活化能，對該反應(yīng)有顯著的加速效果。教學(xué)實踐結(jié)果表明，本實驗可繁可簡，既可作為綜合研究性物理化學(xué)實驗項目，又可簡化替代經(jīng)典的復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)實驗項目——丙酮碘化反應(yīng)。通過本實驗的教學(xué)，不僅能促進學(xué)生對反應(yīng)級數(shù)的確定方法、濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響以及活化能的理解，還能加強學(xué)生對催化劑“改變反應(yīng)途徑，降低活化能”的理解。