如何设计一个科学实验

如何设计一个科学实验

示例一：

敌敌畏是我国当前大量生产和使用的有机磷农药, 属于高毒农药，无色至琥珀色液体，有芳香味，其化学名为2,2-二氯乙烯基二甲基磷酸酯（DDVP，dimethyl-dichloro-vinyl-phosphate，(CH3O)2POOCHCCl2）。敌敌畏的沸点35 ℃（6.667 Pa）；敌敌畏的蒸气压：9.9 Pa（40℃），1.60 Pa（20℃）；敌敌畏的溶解性：室温下水中的溶解度约为10 g·L-1，在煤油中溶解2% 3%，能与大多数有机溶剂和气溶胶推进剂混溶。敌敌畏的水解是其在环境中的主要降解途径之一, 是决定它在环境中的持久性的最通常的反应之一。为了了解这种农药在环境中的持久性, 并为污染治理提供依据, 需对其在环境水和地下水条件下的动力学行为进行研究。已知：环境水的酸度为pH=3-9，地下水的pH=7.0-7.2；以25℃代表环境温度，地下水的温度一般不超过15℃。

实验目标：测定敌敌畏在不同条件下的水解速率常数、半衰期和活化能。

实验条件：pH=3.0，7.0，9.0。

要求：

（1）配制题给要求的实验用缓冲溶液（pH=3.0，7.0，9.0）需要用到哪些化学试剂，对其纯度有何要求？应该用什么质量的水配制实验溶液？不必写出具体的配方。

（2）研究敌敌畏的水解动力学行为，需要用到哪些仪器？用什么方法分析反应体系中组分浓度的变化，需要哪些仪器？

（3）如何确定敌敌畏水解反应的级数？如何测定敌敌畏在不同条件下的水解速率常数、半衰期和活化能？阐明实验原理、实验操作步骤、数据处理方法。

提示：取小体积的一定浓度的农药丙酮溶液放于300毫升烧杯中，令丙酮挥发至干，备用。

参考解答：

（1）用二次蒸馏水配制实验溶液，需要的化学试剂为苯二甲酸氢钾、HCl、NaOH、NaH2PO4、KCl、硼酸，所用试剂均为分析纯。

（2）恒温槽，酸度计，振荡器，磁力搅拌器，气相色谱仪。

（3）敌敌畏水解速率的测定：

实验步骤：将预先在一定温度的恒温器（槽）中恒温的250毫升缓冲溶液倒

人盛有农药的烧杯中, 迅速在磁力搅拌器上搅拌后转移至250毫升棕色容量瓶

中，置容量瓶于恒温器中进行水解反应。根据化合物的降解速率的快慢，按一定

时间间隔取样。每次取20毫升农药水解溶液于50毫升分液漏斗中, 用2毫升二氯

甲烷萃取（摇振分10分钟），分出二氯甲烷层, 加无水硫酸钠干燥后进行色谱测

定。外标法峰高定量, 每次进样2~4微升。

按照质量作用定律, 农药在一定温度下的水解速率决定于二反应物的浓度,

可以表示为 )O H ()OH ()(d )(d 2*+-=-c c c k t

c 或农药农药 （1） 从式（1）可知，农药在水中的水解反应系二级反应, *k 称为二级反应速率常数

但是在缓冲溶液及环境水（可以认为环境水是缓冲的）中, )OH (-c 保持不

变, 则式（1）可以写成

)(d )(d 农药农药kc t

c =- （2） 式中)OH (*-=c k k ，根据式（2）可以认为农药在缓冲条件下的水解是一级反应

或称伪一级反应。将式（2）积分得到

)ex p()(0kt c c -=农药 （3）

t k c c ⋅-=303

.2)()(log 0农药农药 （4） 式中)(农药c 、)(0农药c 分别是农药的瞬时浓度和起始浓度，t 是时间，k 是水解

速率常数。其单位为1-t 。要求反应时间必须大于两个水解半衰期, 取的实验点

不得少于6个，即应获得至少6组t c -)(农药数据。

农药水解掉一半, 即

)

()(0农药农药c c =0.5，所需的时间称为水解半衰期, 以2/1t 表示。 用不同pH 的缓冲溶液进行敌敌畏的水解动力学实验，选择实验温度为15、

25、30、40、50℃。将实验所测数据)(农药c -t , 进行做图或作回归处理, 得到不

同pH 及温度条件下的水解速率常数k ，进而可得其半衰期2/1t 。

有Arrehnius 方程

RT

E A k a 1ln )h /ln(-=- （5） 将实验测得的T k -数据进行处理，作图或按式（5）进行回归，可求得水解反应

的a E 。

示例二：

乙醇溶液中进行如下反应：

C 2H 5I + OH - → C 2H 5OH + I -

据文献报道，在一定温度范围内，上述反应对C 2H 5I 和 OH -均为一级，即反应

的总级数为2。请您设计一个实验方案来研究该反应的动力学规律，即要获得该

反应的动力学积分方程、反应速率常数、反应的Arrhenius 活化能等信息。阐明

实验原理和实验方法、所需主要仪器设备、主要操作步骤、获得的直接测量数据

是什么？怎样处理这些数据以得到您想要的动力学信息？

解：（1）实验原理和实验方法

设反应物的初始浓度均为a ，反应的速率常数为k ，有

C 2H 5I + OH - → C 2H 5OH + I -

t = 0时： a a 0 0

t = t 时： a -x a - x x

x

t = ∞时： 0 0 x - a x

- a

则速率方程为

r =dt dx =k (a -x )2

（1）

上式积分后，得

)(x a a x kt -= （2） 可采用电导法测定此反应进程中电导随时间的变化来反映不同时间反应物

的浓度。体系的电导与x 的关系可分析如下：反应体系中起导电作用的是OH -、

I -离子。OH -离子浓度随反应进行不断减小，而I -离子浓度则不断增加。由于OH -

离子的电导率比I -离子的大得多，所以反应体系的电导将随反应进行而不断下降

（溶液中C 2H 5I 和C 2H 5OH 的导电能力都很小，可忽略不计）。因此，用电导仪

测定溶液在不同时刻的电导，即能求出反应速率常数。

在电解质稀溶液中，可近似认为每种强电解质的电导与其浓度成正比，而且

溶液的电导为组成该溶液各电解质电导之和。设G 0为溶液的起始电导，G t 为t

时刻的电导，G ∞为t →∞时溶液的电导，则有：

t

= t 时： x = α (G 0-G t ) （3）

t → ∞时： a =

α (G 0-G ∞)

（4）

式中α为比例常数。由以上两式，得

a -x = α (G t -G ∞) （5）

将（3）和（5）式代入式（8）中，得

)(0∞--=

G G a G G kt t t （6）

或

∞+-⨯=G t G G ka G t t 01 （7） 以G t 对(G 0-G t )/t 作图，得一直线，其斜率为m =1/ka ，于是有