碘钟反应 - zh

碘钟反应

一、实验目的

1．掌握“碘钟”反应的原理。学会运用“碘钟”反应设计动力学实验的方法。 2．测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数．反应级数和反应活化能.

二 、实验原理

在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应：

22284332S O I SO I ---

-+=+ (1)

为了能够测定一定时间（Δt ）内S 2O 82- 浓度的变化量，在混合过二硫酸铵、碘化钾溶

液的同时加入一定体积已知浓度并含有淀粉（指示剂）的Na 2S 2O 3 溶液，在式（1）进行的同时，有下列反应进行：

222334623S O I S O I ----+=+ (2)

反应（2）进行得非常快，而反应（1）却缓慢得多，故反应（1）生成的I 3 -立即与S 2O 32- 作用生成无色的S 4O 62- 和I − ，因此反应开始一段时间内溶液无颜色变化，但当Na 2S 2O 3耗尽，反应（1）生成的微量碘很快与淀粉作用，而使溶液呈现特征性的蓝色。由于此时（即Δt ） S 2O 32- 全部耗尽，所以S 2O 82- 的浓度变化相当于全部用于消耗Na 2S 2O 3。由上可知，控制在每个反应中硫代硫酸钠的物质的量均相同，这样从反应开始到出现蓝色的这段时间可作为反应初速的计量。由于这一反应能显示自身反应进程，故称为“碘钟”反应。

1、反应级数和速率常数的确定

当反应温度和离子强度相同时，(1)式的反应速率方程可写为：

222828[][][]m n d S O k S O I dt

----= (3)

在测定反应级数的方法中，反应初速法能避免反应产物的干扰求的反应物的真实级数。 如果选择一系列初始条件，测得对应于析出碘量为Δ[I 2]的蓝色出现的时间Δt ，则反应的初始速率为：

22833[][][]

d S O d I I dt dt t

---∆-==

∆ (4) 根据(2)式的反应计量关系结合硫代硫酸钠的等量假设，可知

2323[]2[]

I S O t t

--∆∆=

∆∆ (5) 根据(3)(4)(5)可知，

2223282[]

[][]m n S O k S O I t

---∆=∆ (6) 移项，两边取对数可得

2282231ln ln ln[]ln[]2[]k m S O n I t S O ---

=++∆∆ (7) 因而固定[]I -，以1

ln

t

∆对ln 228[]S O -作图，根据直线的斜率即可求出m ；固定228[]S O -，同理可以求出n 。然后根据求出的m 和n ，计算出在室温下“碘钟反应”的反应速率常数k 。

2、反应活化能的确定

根据Arrhenius 公式

（8）

假定在实验温度范围内活化能不随温度改变，测得不同温度的速率常数后可按lnk 对1/T 作图，所得直线斜率求的活化能。

溶液中的离子反应与溶液的离子强度有关。因此实验时需要在溶液中维持一定的电解质浓度保证离子强度不变。

三、主要的实验仪器及试剂

1.仪器

恒温水浴槽一套；50mL 烧杯两个；玻璃棒一支；秒表一只；专用移液管4支；专用量筒2支

2.试剂

0.20M 4228()NH S O 溶液；0.20M KI 溶液；0.01M 223Na S O 溶液；0.4%淀粉溶液；0.20M 3

KNO 溶液；0.20M 424()NH SO 溶液。

四、实验操作过程

4.1反应级数和速率常数的测定

按照表1所列数据将每组的4228()NH S O 溶液、424()NH SO 溶液和淀粉溶液放入烧杯A 中混合均匀，KI 溶液、223Na S O 溶液和3KNO 溶液放入B 烧杯中混合均匀。然后将两份溶液均放入20℃的恒温水浴槽里恒温一段时间，之后将两份溶液混合，同时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时。反应的时候也在恒温水浴槽里进行。

表1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表

4.2反应活化能的测定

按照表1中第1组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在15℃和25℃下按照4.1中的操作步骤测量溶液出现蓝色所需的时间t ∆并记录，要注意必须先将溶液在相应的水浴槽中恒温一段时间，待溶液温度与恒温槽温度相同后再将溶液进行混合。

五、实验数据的记录和处理以及结果 5.1 [S 2O 82-]和[I -]反应级数的确定

RT

E A k a -

=ln ln

表2反应级数和速率常数测定的数据记录

根据表中的这些数据我们可以求出“碘钟反应”的反应级数和在室温下该反应的反应速率常数k，下面我们就依次求出这几个反应的动力学参数。

1 ln

t∆与ln2

28

[]

S O-的关系见表3。

表3

1

ln与2

28

[]

S O-的关系数据表

根据表3的数据作图，见图1。

图1

1

ln

t∆

与ln2

28

[]

S O-关系图

由图1可知m=0.852

1 ln

t∆与[]

I-的关系见表4。

表4

1

ln与[]

I-的关系数据表

根据表4的数据作图2。

图2.

1

ln

t∆

与[]

I-的关系图

由图2知n=0.994

5.2反应速率常数的测定

我们根据(6)式可知，知道m，n，这样就可以计算出反应速率常数k的值了。

表5反应速率常数的测定（20.0℃条件下）

同理可以计算15℃和25℃时反应速率常数k。