碘钟反应的动力学和热力学参数的测定

“碘钟反应”的动力学和热力学参数的测定

南凯 2010301040083

（武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072）

摘要：本实验依次测定了“碘钟反应”的反应级数、速率常数和活化能，前两个量是反应动力学参数，活化能属于反应热力学参数，通过研究这三个量我们就可以大致上知道“碘钟反应”所经历的历程和反应的难易程度。毫无疑问，这些参数的测定对研究一个化学反应来说是十分重要而且有用的。

关键词：碘钟反应；反应级数；活化能

引言：本实验采用初速法测定228S O -与I -的反应级数和反应活化能，我们在室温下通过改变

228S O -与I -的物料比，从而确定“碘钟反应”中228S O -与I -各自的反应级数。然后根据求得的228S O -与I -的反应级数，改变反应温度，得到不同温度下的“碘钟反应”的速率常数k ，进而根

据Arrhenius 方程exp()a

E k A RT

=-

，以ln k 对1T 作图，根据图像的斜率求得本反应的活化能。 1实验原理

在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应[1]

：

22284332S O I SO I ---

-+=+ (1)

我们事先同时加入少量的硫代硫酸钠溶液和淀粉指示剂，则(1)式中产生的少量的3I -会优先和223S O -反应而被还原成I -：

222334623S O I S O I ---

-+=+ (2)

这样，当溶液中的硫代硫酸钠全部反应掉后，(1)式生成的碘才会和淀粉指示剂反应，使溶液呈蓝色。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即可用来度量本反应的初速。

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)

根据(1)式中的反应计量关系，可以认为：

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 。

最后改变温度，测出不同温度下从反应开始到出现蓝色所需的时间t ∆，计算出不同温度下的反应速率常数，由Arrhenius 公式，以ln k 对1T 作图，根据直线的斜率即可求出活化能。

2主要的实验仪器及试剂 恒温水浴槽一套； 50mL 烧杯两个； 玻璃棒一支；

秒表一只；

0.20M 4228()NH S O 溶液； 0.20M KI 溶液；

0.01M 223Na S O 溶液； 4%淀粉溶液；

0.20M 3KNO 溶液； 0.20M 424()NH SO 溶液。 3实验部分

3.1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。然后将两份溶液混合，当混合至一半时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时。

表1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表

序号

1 2 3 4 5 0.20M 4228()NH S O 溶液/mL

10.0 5.0 2.5 10 10.0 0.20M KI 溶液/mL 10.0 10.0 10.0 5.0 2.5 0.01M 223Na S O 溶液/mL 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 0.4%淀粉溶液/mL 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.20M 3KNO 溶液/mL 0 0 0 5.0 7.5 0.20M 424()NH SO 溶液/mL 0

5.0

7.5

3.2反应活化能的测定

按照表1中第4组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在10.0、30.0和40.0℃下按照3.1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。

4实验数据的记录和处理

4.1反应级数和速率常数测定的数据记录

序号

1 2 3 4 5 4228()NH S O 溶液浓度(mol/L)

0.080 0.040 0.020 0.080 0.080 KI 溶液浓度(mol/L) 0.080 0.080 0.080 0.040 0.020 223Na S O 溶液浓度(mol/L)

0.0016 0.0016 0.0016 0.0016 0.0016 时间t/s

30.88

60.97

117.44

57.53

102.03

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。