实验17化学反应速率与活化能的测定

实验17 化学反应速率与活化能的测定
一、实验目的
1．进一步了解浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响，加深对反应速率、反应级数和活化能概念的理解。

2．了解过二硫酸铵与碘化钾反应的反应速率测定原理和方法，学习通过数据处理和作图求算反应级数和反应的活化能。

3. 练习在水浴中保持恒温的操作。

二、实验原理
在水溶液中，过二硫酸铵和碘化钾发生以下反应
S 2O 82－
+3I －
==== 2SO 42－
+ I 3－
（1）
根据反应速率方程，若用S 2O 82－
量随时间的不断降低来表示反应速率，则：
r ＝ －dt
O S dc )(282−
＝)()(282−
−⋅⋅I c O S c k n m
本实验测定的是一段时间t Δ内反应的平均速率r ，由于在t Δ时间内本反应的r 变化较小，故可用平均速率近似代替起始速率。

即：
r ＝－
t
O S c ΔΔ−
)(282≈)()(282−
−⋅⋅I c O S c k n m 式中：Δc (S 2O 82－
)为Δt 时间内S 2O 82－
浓度的改变值。

c (S 2O 82－
) 、c (I －
)分别为两种离子的初始浓
度；k 为反应速率常数；m ，n 为决定反应级数的两个值；m+n 即为反应级数。

为了测定在一定时间t Δ内S 2O 82－
的变化值，可在混合(NH 4)2S 2O 8溶液和KI 溶液的同时，加入
一定体积已知浓度的Na 2S 2O 3溶液和淀粉溶液，在反应（1）进行的同时，也同时进行着如下反应：
2S 2O 32－
+ I 3－
=== S 4O 62－
+ 3I
－
(2)
反应（2）比反应（1）进行得快，瞬间即可完成。

由反应（1）生成的碘能立即与S 2O 32－
作用，生成无色的S 4O 62－
和I －。

因此，在开始一段时间内，看不到碘与淀粉作用所显示的蓝色，但当S 2O 32
－
用尽，反应（1）继续生成的微量I 3－
与淀粉作用，使溶液显示出蓝色。

根据此原理及从反应（1）和反应（2）可看出，从反应开始到溶液出现蓝色所需的时间t Δ内，S 2O 82－
浓度的改变量为S 2O 32－
在溶液中浓度的一半。

由此，可计算出平均反应速率，再根据平均反
应速率和反应物浓度的关系，进而求出反应级数和反应速率常数。

根据Arrhenius 公式，反应速率常数与温度的关系：ln k /[k] = RT
E a
−
+ ln A/[A] 式中：E a 为反应的活化能；R 为摩尔气体常数（8.314 J · K －
1·mol －
1）；A 为指前因子；T 为绝对温度；[k]和[A]是代表该量的单位。

因此，可通过改变反应的温度，测得反应速率，此时可用反应速率代替反应速率常数，进而求得反应的活化能。

三、实验用品
仪器与材料：秒表、烧杯（400mL ，50mL ）、大试管、玻棒、恒温水浴槽、电磁搅拌器、温度计、
吸量管（5mL ，2mL ，1mL ）。

试剂： KNO 3（0.1mol•L －
1）、K 2SO 4（0.2 mol•L －
1）、K 2S 2O 8（0.2 mol•L －
1）、
Na 2S 2O 3（0.01mol•L －
1）、 Cu(NO 3)2（0.02 mol•L －
1）、KI （0.1mol•L －
1）、淀粉（0.2％）。

四、实验内容
1．浓度对化学反应速率的影响
表3-1共设计有五组实验。

在室温下，按表3-1所设计的试剂量，准确取出每组实验所需的0.1mol•L －
1KI 溶液，0.2mol•L －
1K 2SO 4，0.01mol•L －
1 Na 2S 2O 3， 0.1mol•L －
1KNO 3和 0.2％淀粉溶液于
同一50mL 小烧杯中，将小烧杯放在电磁搅拌器上搅拌，然后准确量取所需0.2mol•L －
1 K 2S 2O 8溶液，
迅速加入小烧杯中，同时用秒表计时，待溶液刚一出现蓝色，立即停止计时，并记录t Δ。

本实验通过加入不同体积的0.1mol•L -1KNO 3和0.2mol•L -1K 2SO 4溶液，使各组实验的总体积、离子强度保持不变，达到实验具有可比性。

表3-1 浓度对化学反应速率的影响
实验编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
0.20mol ·L -1K 2S 2O 8 4.0 2.0 1.0 4.0 4.0 0.10mol ·L -1KI 4.0 4.0 4.0 2.0 1.0
0.010mol ·L -1Na 2S 2O 3
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
0.2%淀粉溶液 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.10mol ·L -1KNO 3 0 0 0 2.0 3.0 试剂用量
mL
0.20mol ·L -1K 2SO 4 0 2.0 3.0 0 0
(NH 4)2S 2O 8
KI 混合液中反应物的起始浓度（mol ·L -1）
Na 2S 2O 3
反应时间S /t Δ
S 2O 82-的浓度变化228
c(S O )/Δ−
mol ·L -1
反应速率r
2．温度对化学反应速率的影响
根据实验1表中5组实验的结果，选取你认为最合适的一组配方，做温度对化学反应速率的影响。

具体做法为：选取二支大试管，一支按配方量加入0.1mol•L －
1 KI ， 0.2%淀粉， 0.01 mol•L -1
Na 2S 2O 3 ，0.1mol•L －
1 KNO 3和0.2mol•L -1K 2SO 4混合溶液，另一支大试管加入0.2mol•L －
1 K 2S 2O 8溶
液，然后将两支大试管同时放入比室温高10℃的恒温水浴槽中，待试管中溶液与水温相同时，把K 2S 2O 8 迅速加到KI 混合液中，同时启动秒表，并不断搅拌。

当溶液刚出现蓝色时，停止计时，并记录t Δ。

实验编号 Ⅵ Ⅶ 反应温度/℃
反应时间Δt/s
反应速率r 可在比室温低10℃或高20℃条件下，重复上述操作，记录t Δ，求出反应活化能。

3．催化剂对化学反应速率的影响
按表1中实验编号Ⅳ的试剂用量将KI ，Na 2S 2O 3，0.2％淀粉和KNO 3加入到一大试管中，再加入2滴0.02 mol•L －
1 Cu(NO 3)2溶液，摇匀后，迅速加入4ml 0.2mol•L －
1 K 2S 2O 8 溶液，振荡试管，记下
反应时间，并与实验编号4（不加催化剂）的反应时间相比较，得出定性结论。

五、数据处理
1．反应级数和反应速率常数的计算
将反应速率表达式228
m
n S
O I r kc c −−
=两边取对数： k c n c m r I O S lg lg lg lg 28
2++=−−
当c(I -)不变时（即实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），以lgr 对lgc(S 2O 82-)作图，可得一直线，直线斜率即为m 。

同理，当c(S 2O 82-)不变时（即实验Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ），以lgr 对lgc(I -)作图，可求得n ，此反应的级数则为m+n 。

将求得的m 和n 代入228
m
n S O I r kc c −−
=即求得反应速率常数k 。

将数据填入下表。

实验编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ lgr Lgc(S 2O 82-) Lgc(I -)
m n
反应速率常数k
2．反应活化能的计算
反应速率数据k 与反应温度T 一般有以下关系： ln k /[k] = RT
E a
−
+ ln A/[A]，测出不同温度时的k 值，以lgk 对1/T 作图，可得一直线，则直线斜率可求得反应的活化能E a 。

将数据填入下表。

实验编号
Ⅵ
Ⅶ
反应速率常数k
lgk
1/T 反应活化能Ea
本实验活化能测定值的误差不超过10%（文献值：1
8.51−⋅mol kJ ）。

六、 预习内容
1. 熟悉实验原理和数据处理方法。

2. 浓度、温度、催化剂对反应速率有何影响？ 七、 思考题
1. 不用c(S2O82－)而用c (I－)或c (I3－)表示反应速率，速率常数是否一致？
2. 本实验中，溶液出现蓝色是否表示反应终止？
3．“催化剂加入后，一定能加快化学反应的速率”，这句话对吗？
八、附注
直角坐标图的绘制技巧
利用图形可以直观显示出数据特点、变化规律，并能利用图形作进一步的求解，获得斜率、截距、外推值等。

因此作图技术的高低与科学实验的正确结论有密切的联系。

下面就直角坐标图的绘制技术作一简要介绍。

1. 坐标轴比例尺选择要点
用直角坐标纸时，一般以自变量为横坐标，因变量为纵坐标。

坐标原点不一定从零开始。

坐标轴应注明所代表变量的名称和单位。

一般将坐标轴表示的物理化学量除以其单位得到的纯数作为绘图的坐标。

如某坐标轴表示物理量温度，其单位为K（或℃）若用温度除以基本单位1K（或1℃），其结果就成为纯数，这样的处理给绘图带来规范化和方便，从图中读出数据时应注意单位的变化。

坐标轴的比例尺选择要适宜，使图上的各种物理量的全部有效数字能恰当表达出来，图上的最小分度值与实验值应一致。

要使测量的数据各点分散，匀称分布在全图，不要使各点过分集中，偏于某一角上。

若图形是一直线时，需求其斜率、截距等数据。

直线与横坐标的夹角应在45°左右为宜，角度过大、过小都会带来较大的误差。

2. 图形的绘制
根据实验数据在坐标纸上标出各点后，按各点分布情况连接成曲线或直线，以表示其物理量的变化规律。

绘出的曲线（或直线）不必通过所有各点，只要这些点能准均匀分布在线条的两侧即可，若有个别偏离太远，绘制曲线时可不考虑。

一般绘制成一条光滑曲线（或直线），不绘成折线。

3. 由直线图形求斜率
对于直线可用方程y=ax+b表示，为求其斜率可在直线上任取两点（两点距离不宜太近）或者取两组实验数据代替（除非两点刚好都在直线上）。

如两点的坐标值为（x1,y1）、( x2,y2)，则直线斜率为a=（y2-y1）/（x2-x1）。

下面三张图是从同一实验结果作出的直线图形，试比较哪个图绘制得更好些。