影响化学反应速率因素实验的改进

作者：曹　葵　陈瑞芝　牛桓云

来源：《化学教学》2009年第01期

        文章编号：1005－6629(2009)01－0015－02 中图分类号：G633.8文献标识码：C

        中学化学教材中关于影响化学反应速率因素的实验是通过观察硫酸和硫代硫酸钠溶液反应生成单质硫沉淀，从而比较反应进行的速率。由于是通过肉眼观察，沉淀生成又是逐渐增加，没有明显的颜色或状态的变化，这个实验不易测量得很准确，数据重现性较差，同样的浓度和温度，有时反应时间能够相差10秒钟，这对于一个定量实验来说，说服力不是很强；同时反应有二氧化硫气体生成，造成空气污染。因此有必要对实验进行改进。笔者曾试图根据大学的有关实验，来进行实验验证。其反应原理为在水溶液中过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应：

        S2O82-+3I-→2SO42-+I3-(1)

        在混合(NH4)2S2O8和KI时，同时加入一定体积的Na2S2O3溶液，这样同时进行如下反应：

        2S2O32-+I3-→S4O62-+3I-(2)

        反应(2)瞬间完成，而反应(1)很慢。由于反应(1)生成的I2与S2O32-反应，生成了无色的S4O62-和I-，所以开始一段时间看不到颜色的变化，只有当S2O32-耗尽时，游离出来的I2才会遇淀粉反应变蓝色。实验现象十分明显。

        我们在教学中首先在小范围中进行了教学试验，听取学生意见，得到的反馈意见归纳为以下几点。首先是经过改进后的实验现象明显，将慢慢析出硫沉淀变为明显的瞬间颜色变化，便于同学观察，误差小；其次，在同一个实验中，可以验证浓度、温度、催化剂对反应速率的影响，说服力更强。缺点在于由于反应中用到过二硫酸根离子(S2O82-)，对一些同学来讲反应原理过于复杂、深奥，所以该方法对中学生来说适用性不高，要用很多的时间分析实验原理，有点主次不分，经过两年的试用后我们最终选择了放弃。

        但是其实验现象明显的特点要得到充分利用，通过对化学原理的不断学习，发现了一个新的、更为简单实验方法。

        1实验原理

        在酸性环境下，碘离子被双氧水氧化生成碘单质：

        H2O2+2H++2I-→2H2O+I2 (3)

        研究此反应的速率可以通过测量生成一定量的碘所需要的时间。同时加入少量一定体积的Na2S2O3溶液，它迅速与生成的碘单质反应，开始时溶液保持无色。

        I2+2S2O32-(aq)→2I-+S4O62-(4)

        当所有的Na2S2O3被消耗时，继续生成的碘迅速使淀粉指示剂呈现为蓝色。

        2浓度对反应速率的影响及反应级数

        为研究反应(3)中各反应物浓度变化对反应速率的影响，在以下一系列的实验设计中，保持溶液的总体积不变，则各试剂的浓度与所用体积成正比。反应速率与时间的倒数成正比。

        2.1仪器和试剂

        25mL量筒(2个)1mol·L-1盐酸

        10mL量筒(2个)0.1mol·L-1碘化钾溶液

        250mL锥形瓶(1个)0.1mol·L-1双氧水

        数字式秒表 0.01mol·L-1硫代硫酸钠溶液

        温度计 2%淀粉指示剂

        100mL烧杯(2个) 蒸馏水

        2.2实验步骤

        (1)用标号为A的25mL量筒先后量取20mL的KI溶液，10mL蒸馏水加入锥形瓶。

        (2)用标号为A的10mL量筒量取10mL Na2S2O3溶液也加入锥形瓶，然后加入6滴淀粉指示剂，摇匀。

        (3)用标号为B的25mL量筒先后量取20mL双氧水，20mL稀盐酸加入100mL烧杯中(如果所取溶液的体积为10mL或5mL，换用标号为B的10mL量筒)。

        (4)将烧杯中的溶液加入锥形瓶中，同时迅速按下秒表，一直摇动锥形瓶。

        (5)观察溶液颜色变化，当瞬间出现蓝色时，迅速按下秒表，记录下时间。

        (6)按表格中数据改变各反应物的用量，重复以上过程。

        2.3实验记录(温度：室温25℃)

        注：所有数据为三次试验的平均值，下同

        2.4实验结果与讨论

        在以上实验中，Na2S2O3的用量很小(浓度稀)，以实验1为例，其物质的量仅是反应(3)理论生成碘单质的物质的量的十分之一，这样保证测得的平均反应速率接近初始反应速率。

        对比实验1，2，3，当保持KI和盐酸的浓度不变时，反应速率与双氧水的浓度成正比，说明反应对H2O2是一级反应。对比实验1，4，5，当保持双氧水和盐酸的浓度不变时，反应速率与KI的浓度成正比，说明该反应对KI也是一级反应；同样对比实验2，6，7，只改变酸的浓度，证明该反应对H+也是一级反应。

        用类似的原理也可以研究以下反应的反应级数：

        2IO3-+5SO32-+2H+→I2+5SO42-+H2O(5)

        实验证明该反应对H+为一级反应，对IO3-为二级反应，对SO32-为零级反应。

        3 浓度和催化剂对反应速率的影响

        为了验证温度的影响，同时避免温度上升双氧水分解过多，只对碘化钾、硫代硫酸钠与淀粉的混合液加热，而后倒入酸化双氧水。

        采用以上实验1中的浓度数据，改变温度实验数据如下：

        为了验证催化剂的影响，在硫代硫酸钠和碘化钾混合液中加入几滴氯化铜或氯化铁溶液，由于氯化铜和氯化铁都可以和硫代硫酸钠反应产生配合物，会有少量的沉淀，但不影响实验效果，立即加入双氧水后，催化现象十分明显。应注意的是不要加入二氧化锰，因会造成双氧水大量分解，对本实验反而没有明显催化作用。

        采用实验1中的浓度数据，选用不同催化剂，实验数据如下：

        4 结论

        该反应可以验证浓度、温度、催化剂三种因素对反应速率的影响。实验原理简单易懂，实验效果好，操作方便，用锥形瓶替代烧杯便于摇动，使溶液混合均匀，数据重复性好，是现行实验方法的良好替代方法。如果用于学生实验，适当减小药品用量即可。例如为了缩短实验时间，可以减少硫代硫酸钠的用量。

        在实际教学中，可以将添加蒸馏水补足体积省略，对学生试验来说，操作简化，节省时间，且总体变化趋势不变，实用性更强。

        参考文献：

        [1]曹葵，牛桓云.测定化学反应速率实验的改进[J].教学仪器与实验，2006.(1):18-19.

        [2]陈寿椿.重要无机化学反应[M].上海科技出版社，1982.第2版.1015-1017,1163.

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