丙酮碘化反应速率常数的测定讲义

丙酮碘化反应速率常数的测定

一、实验目的

1、掌握利用分光光度法测定酸催化时丙酮碘化反应速度常数及活化能的实验方法。

2、加深对复杂反应特征的理解。

二、实验原理

酸溶液中丙酮碘化反应是一个复杂反应，反应方程为：

CH 3H 3C

O

+I 2

H

+

CH 2I H 3C

O

+I -+H +

H +是反应的催化剂，由于丙酮碘化反应本身生成H +，所以这是一个自动催化反应。 实验测定表明，反应速率在酸性溶液中随氢离子浓度的增大而增大。反应式中包含产物，其动力学方程式为：

r q p

A A H c I c kc dt

I dc dt dc )()()(22+=-=-

=υ （1） 式中υ为反应速率，A c 、)(2I c 、)(+

H c 分别为丙酮、碘、盐酸的浓度（mol/L ），κ为反应速率常数，p 、q 、r

分别为丙酮、碘和氢离子的反应级数。速率、速率常数和反应级数均可由实验测定。

实验证明丙酮碘化反应是一个复杂反应，一般认为可分成两步进行，即：

H

+

2

C CH 2

H 3C

OH

C CH 2

H 3C

O

（

i ）

C H 3C

O

C CH 2

H 3C

OH

I 2

CH 2I

I -

k 3

(ii)

反应(i)是丙酮的烯醇化反应，反应可逆且进行的很慢。反应(ii)是烯醇的碘化反应，反应快速且能进行到底。因此，丙酮碘化反应的总速度可认为是由反应(i)所决定。丙酮碘化反应对碘的反应级数是零级，故碘的浓度对反应速率没有影响，即动力学方程中q 为零，原来的速率方程可写成：

r p

A I H c kc dt

dc )(2+=-

=υ (2)

由于反应并不停留在一元碘化丙酮上，还会继续反应下去，故采取初始速率法，因此丙酮和酸应大大过量，而用少量的碘来限制反应程度。这样在碘完全消耗之前，丙酮和酸的浓度基本保持不变。由于反应速率与碘浓度无关（除非在酸度很高的情况下），因而直到碘全部消耗前，反应速率是常数。即：

常数==-

=+r p

A I H c kc dt

dc )(2υ （3）

因此，将)(2I c 对时间t 作图为一直线，直线斜率即为反应速率。

为了测定指数p ，需要进行两次实验。先固定氢离子的浓度不变，改变丙酮的浓度，若分别用I 、II 表示这两次实验，使)(II A c =u )(I A c ，)(+

II H c = )(+

I H c ，由式子（3）可得：

p

I p

I p p I r I p II r II p I II u A C A C u H C A kC H C A kC ===++

)

()()()()()(υυ （4） u p I

II

lg lg

=υυ （5） u p I

II

lg /lg

υυ= （6） 同样方法可以求指数r 。使)(II A c =)(I A c I ，)(+

II H c =w )(+

I H c ，可得出：

w r I

III

lg /lg

υυ= (7) 根据式子(2)，由指数、反应速率和浓度数据就可以计算出速率常数κ。由两个温度下的速率常数，由阿累尼乌斯公式:

1

21221lg 303.2k k

T T T T R

E -= (8)

求得化学反应的活化能E 。

因碘溶液在可见区有宽的吸收带，而在此吸收带中，盐酸、丙酮、碘化丙酮和碘化钾溶液则没有明显的吸收，所以可采用分光光度法直接测量碘浓度的变化,以跟踪反应进程。在本实验中，通过测定溶液510nm 光的吸收来确定碘浓度。溶液的吸光度A 与浓度c 的关系为：

A=Kcd (9)

其中A 为吸光度，K 为吸光系数，d 为溶液厚度，c 为溶液浓度（mol/L ）。在一定的溶质、

溶剂、波长以及溶液厚度下，K、d均为常数，因此式子（9）可以写为：

A=Bc （10）

式中，常数B由已知浓度的碘溶液求出。

三、仪器与药品

1.仪器：

7200型分光光度计（附比色皿）1台，超级恒温槽1台，秒表1块，50mL容量瓶

4个，5mL移液管、10mL移液管各四支，100ml锥形瓶4个。

2.药品：

4.000 mol·L-1 丙酮溶液（精确称量配制），1.000mol·L-1 HCl标准溶液(标定)，0.0200mol·L-1 碘溶液。

四、实验步骤

1．实验前的准备

（1）调节恒温槽到25℃。

（2）打开7200型分光光度计，进行预热20分钟后进行0%和100%校正。取10mL经标定的碘溶液至50mL容量瓶并稀释至刻度，而后将稀释的碘溶液装入比色皿中，将分光光度计功能设置为浓度档，调节吸收光波长至510nm，转动浓度调节纽直至在数字窗中显示出溶液的实际浓度（详细操作过程见第六部分）。在本实验中，碘溶液初始浓度为0.02mol·L-1 ，经稀释5倍后浓度为0.004mol·L-1 ，可将初始值设置为400，则实际浓度值为显示值×10-6.

2.测定四组溶液的反应速率

在50mL容量瓶中按照下列体积配置四组溶液：

表1 待测反应速率的四组溶液配比

序号V(碘溶液)/mL V(丙酮溶液)/mL V(盐酸溶液)/mL V(水)/mL

1 10.0 3.0 10.0 27.0

2 10.0 1.5 10.0 28.5

3 10.0 3.0 5.0 32.0

4 5.0 3.0 10.0 32.0

反应前，将锥形瓶用气流烘干器烘干，容量瓶洗干净。准确移取上述体积的丙酮和盐酸