实验1 化学反应速率和活化能的测定

实验1 化学反应速率和活化能的测定

一、实验目的

1. 了解浓度、温度和催化剂对反应速度的影响。

2. 加深对反应速率和活化能概念的理解。

3. 测定过二硫酸铵与碘化钾反应的反应速率，并计算反应级数、反应速率常数和反应的活化能。

4. 练习温度、时间和体积的测量及恒温操作。 二、实验原理

在水溶液中过二硫酸铵和碘化钾发生如下反应：

4228424243(NH )S O +3KI (NH )SO +K SO +KI =

或： 2--2--2843S O +3I 2SO +I = （1）

其反应速率根据速率方程可表示为：

82--

2(S O )(I )m n kc c ν=⋅ （2）

式中v 是在此条件下反应的瞬时速率，若2-28[S O ]、-[I ]是起始浓度，则v 表示起始速

度，k 是速率常数，m 与n 之和是反应级数。 实验能测定的速率是在一段时间(△t )内反应

的平均速率，如果在△c 时间内2-28[S O ]的改变为△2-28[S O ]，则平均速率：

2-28(S O )

c t

ν-∆=∆ （3）

近似地用平均速率代替起始速率：

2-2--2828(S O )(S O )(I )m n c kc c t ν-∆=

=⋅∆ （4） 为了能够测出反应在△c 时间内2-28[S O ]的改变值，需要在混合(NH 4)2S 2O 8和KI 溶液的

同时，注入一定体积已知浓度的Na 2S 2O 3溶液和淀粉溶液，这样在反应（1）进行的同时还进行下面的反应：

2--2--233462S O +I =S O +3I （5）

这个反应进行得非常快，几乎瞬间完成，而反应（1）比反应（2）慢得多。因此，由反应（1）生成的-3I 立即与2-23S O 反应，生成无色的2-

46S O 和-

I 。所以在反应的开始阶段看不到碘与淀粉反应而显示的特有蓝色。但是一当Na 2S 2O 3耗尽，反应（1）继续生成的I 3-就与淀粉反应呈现出特有的蓝色。

由于从反应开始到蓝色出现标志看2-23S O 全部耗尽，所以从反应开始到出现蓝色这段时

间△t 里，2-23S O 浓度的改变△2-23[S O ]实际上就是Na 2S 2O 3的起始浓度。再从反应式（1）

和（4）可以看出，2-23S O 减少的量为2-28S O 减少量的两倍，所以2-

28S O 在△t 时间内减少的量可以从下式求得：

2-2-2328

(S O )

(S O )2

c c ∆∆= （6）

代入（4）式：

2-2-2--282328(S O )(S O )/2(S O )(I )m n c c kc c t t

ν-∆-∆=

==⋅∆∆ （7） 由不同浓度下测定的反应速率，则可求得该反应的总反应级数（m + n ），现可进一步求得该反应的速率常数：

2-2-28232--2--2828(S O )(S O )/2

(S O )(I )(S O )(I )

m n m n c c k t c c t c c -∆-∆==∆⋅⋅∆⋅⋅ （8） 根据Arrhenius 方程，反应速率常数与温度的关系为：

111

/()lg lg [2.303/()]/Ea J mol k A R J mol K T K

---⋅=-⋅⋅ （9） 若测出不同温度下的k 值，并以lgk 对1/T 作图，则可得一直线，其斜率等于-E a /2.303R ，因此可通过计算求得该反应的活化能E a 。 三、试剂与仪器

仪器：烧杯；大试管；量筒；秒表；温度计。材料：冰。

试剂：(NH 4)2S 2O 8（0.20mol·L -1）；KI （0.20mol·L -1）；Na 2S 2O 3（0.01 mol·L -1）；KNO 3

（0.20mol·L -1）；(NH 4)2SO 4（0.20mol·L -1）；Cu(NO 3)2（0.02mol·L -1）；淀粉溶液（0.4％）。 四、实验步骤

1. 浓度对化学反应速度的影响

在室温条件下按表1规定用量分别进行五组实验，具体操作过程为先按表中数据用量筒分别量取0.20mol·L -1碘化钾、0.010mol·L -1硫代硫酸钠溶液和0.4％淀粉溶液，全部注入烧杯中，混合均匀然后用另一量筒取0.2mol·L -1过二硫酸铵溶液，迅速倒人上述混和液中，同时开动秒表，并不断搅动，仔细观察。当溶液刚出现蓝色时，立即按停秒表，记录反应时间和室温。

注：为了保证每组实验中溶液离子强度和总体积不变，分别用硝酸钾和硫酸铵来调整。 2. 温度对化学反应速率的影响及活化能的测定

按表1实验Ⅳ中的药品用量，将装有碘化钾、硫代硫酸钠、硝酸钾和淀粉混合溶液的烧杯和装有过二硫酸铵溶液的小烧杯，放人冰水浴中冷却，待它们温度冷却到低于室温10℃时，将过二硫酸铵溶液迅速加到碘化钾等混合溶液中，同时计时并不断搅动，当溶液刚出现蓝色时，记录反应时间。

同样方法在热水浴中进行高于室温10℃的实验。

将此二次实验数据和实验Ⅳ的数据记入表2中进行比较。 用上述三个温度下的反应时间计算反应速率和反应速率常数。

3. 催化剂对化学反应速率的影响

按表1实验Ⅳ的用量，把碘化钾、硫代硫酸钠、硝酸钾和淀粉溶液加到150ml 烧杯中再加入2滴0.02mol·L -1硝酸铜溶液，搅匀，然后迅速加入过二硫酸铵溶液，搅动并记时，将此实验的反应速率与表1中实验Ⅳ的反应速率进行比较可得到什么结论。 五、 数据处理

1. 反应级数和反应速率常数的计算

将上述反应速率表达式（4）两边取对数：

2--28lg lg (S O )lg (I )lg m c n c k ν=++

当c(-I )不变时（即实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），以1gν对1gc(2-

28S O )作图，可得一直线，斜率即为m 。同理，当c(2-

28S O )不变时（即实验Ⅰ、Ⅳ、V ），以lgν对1gc(-

I )作图，可求得n ，此反应的级数则为m+n 。（也可取实验Ⅰ和Ⅲ的数据分别代入（4）式，用其速率比求出m ，取Ⅰ和Ⅳ的数据代入（4）式，用其速率比求出n ）

将求得的m 和n 代入（7）式，即可求得反应速度常数k 。将数据填入表3。