化学反应速率及活化能的测定实验改进

2015-11-26刘永红张宜欣古同男

卫生职业教育 2015年14期

关键词：作图烧杯试管

刘永红，张宜欣，古同男

（首都医科大学燕京医学院，北京 101300）

化学反应速率及活化能的测定实验改进

刘永红，张宜欣，古同男

（首都医科大学燕京医学院，北京 101300）

反应速率；活化能；实验教学

“化学反应速率及活化能的测定”是医学院校本、专科无机化学、基础化学实验课中的一项必做实验。我院用的实验教材是《医用化学实验教程》［1］，书中是通过用过硫酸铵与碘化钾这一慢速反应测定在不同浓度、温度下反应速率的差异去求速率常数、反应级数及活化能，让学生掌握化学反应动力学基础知识，学会数据的记录及处理［2］。其中，过硫酸铵容易分解，试剂浪费严重，且低温反应时易出现结晶现象，实验结果误差较大。改用过硫酸钾替代过硫酸铵，实现了实验教学的绿色化、微型化［3］，收到了良好的实验效果，现将实验改进及实验设计介绍如下。

1 实验仪器及试液

1.1 仪器

恒温水浴箱、烧杯（50 ml，150 ml）、秒表、电磁搅拌器、吸量管［4］（1 ml，2 ml，5 ml，10 ml）、试管等。

1.2 试液

K2S2O8（0.10 mol/L）、KI（0.20 mol/L）、Na2S2O3（0.01mol/L）、KNO3（0.20 mol/L）、K2SO4（0.10 mol/L）、淀粉溶液（0.2%）、Cu（NO3）2（0.02 mol/L）。

2 实验方法的改进及比较

2.1 浓度对化学反应速率、反应级数、速率常数的影响（见表1～2）

表1 实验方法改进后浓度对化学反应速率、反应级数、速率常数的影响

表2 教材中浓度对化学反应速率、反应级数、速率常数的影响

室温条件下，按照表1中实验序号1的试剂用量，用吸量管分别量取溶液，除将K2S2O8溶液盛于干燥的小试管外，其余溶液都加入一个干燥的烧杯中，放在搅拌器上搅拌，混合均匀后，将小试管中的K2S2O8溶液快速加入烧杯中，同时启动秒表，当溶液刚出现蓝色时，立即按停秒表，记录反应时间△t及反应温度。用同样的方法重复实验编号2、3、4、5所要求的试剂用量进行另外4次实验。为了使每次实验中溶液离子强度和总体积保持不变，用0.10 mol/L的K2SO4溶液及0.20 mol/L的KNO3溶液调整。计算出相应数据，根据实验编号1、2、3的数据，以lgν对lgS2O82-作图得到一条直线（见图1），同理利用编号1、4、5的数据，以对lgI-作图得到一条直线（见图2），用Excel可快速准确地实现数据处理［5］。

图1 lg对lgc（S2O82-）作图

图2对lgc（I-）作图

与教材中实验结果比较可知：在减少试剂用量的前提下，改进前m=1.15，n=1.54，误差较大，而改进后由图1和图2可以看出，两条直线的斜率m≈1，n≈1，反应级数m+n=2，且误差很小，说明改进后的实验完全符合实验教学要求，且学生实验成功率达到100%，收到了良好的实验效果。

2.2 温度对化学反应速率的影响（见表3～4）

表3 实验方法改进后温度对化学反应速率的影响

表4 教材中温度对化学反应速率的影响

室温条件下，按照表1中实验序号2的试剂用量，除将K2S2O8溶液盛于干燥的小试管外，其余溶液都加入一个干燥的烧杯中，放在搅拌器上搅拌，混合均匀后，将盛有溶液的烧杯和试管同时放在冰水浴中，待烧杯和试管的温度降到距室温10℃时，将小试管中的K2S2O8溶液快速加入烧杯中，同时启动秒表，当溶液刚出现蓝色时，立即按停秒表，记录反应时间△t及反应温度。同样的方法在低于或高于室温10℃、20℃的条件下，重复以上实验，记录反应时间△t及反应温度。计算出包括室温在内的反应速率和反应速率常数，把数据及计算结果填入表中。根据实验数据以lgk对作图，可得一条直线（见图3），由直线的斜率可以求出活化能。

图3 lgk对作图

从图3可以看出，直线的斜率为-2 487.5，按Arrhenius公式计算其活化能的平均值。由直线斜率等于-Ea/2.30R可求反应的活化能（Ea=47.63 kJ·mol），完全符合实验要求，取得了满意的实验结果。教材中Ea=21.89 kJ·mol，比教材中的误差明显减小。

2.3 催化剂对化学反应速率的影响（见表5～6）

表5 实验方法改进后催化剂对化学反应速率的影响

表6 教材中催化剂对化学反应速率的影响

室温条件下，按照表1中实验序号4的试剂用量做实验，注意在向烧杯中加入K2S2O8溶液之前，先分别加入1滴、5滴、10滴0.02 mol/L Cu（NO3）2溶液于干燥的K2S2O8试管内，其余溶液都加入一个干燥的烧杯中，放在搅拌器上搅拌，混合均匀，然后按照上述实验步骤1的方法操作。记录反应时间，计算反应速率，填入表5中。将反应速率与表1中实验序号4的反应速率进行比较。

通过比较可知：实验方法改进后化学反应时间缩短了、反应速率加快了，但要注意，一定要把催化剂加到K2S2O8溶液的试管内，如果按照教材的顺序加入，反应现象不明显或容易出现计时错误。

3 结果与讨论

3.1 试剂用量少，试剂保存的时间长，实现了绿色环保

经实验证实：同样浓度的过硫酸钾溶液放置近4个月仍然不影响实验结果，说明过硫酸钾溶液比过硫酸铵溶液要稳定，在减小浓度、减少试剂用量的基础上［6］，如原实验方案的试剂浓度0.20 mol/L，10 ml；改进后实验试剂浓度为0.10 mol/L，5 ml，为保持反应中溶液的离子强度不变，用K2SO4代替（NH4）2SO4。在绿色化学思想下改革常规实验以阻止化学污染［7］，在保证实验现象和结果的情况下用尽可能少的试剂进行实验，极大地节省了试剂［8］，最大限度地降低了化学污染的可能性。改进后的实验反应时间缩短了，反应的速率加快了，误差减小，重现性好［9］，且可以节省试剂，减少污染。

3.2 实验效果好，成功率高

改进后的实验数据更加接近文献值m≈1（0.997，R2=0.999），n≈1（1.081，R2=1.081），反应级数m+n=2，且误差很小，说明实验完全符合实验教学要求，且学生实验成功率达到100%，实验结果令人满意，收到了良好的实验效果。

3.3 简化了操作，提高了实验效率

改进后的实验改变了以往化学反应速率和活化能的测定必须在严格温差下进行的惯例，只需10℃左右甚至更小的温差都可以进行实验，简化了操作，有效地提高了实验效率［3］。

综上所述，通过改进实验，本实验达到了实验成功率高、数据准确，且兼顾微型化、绿色化的要求。

［1］张学东，丁秋玲.医用化学实验教程［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010.

［2］文正康.大学无机化学实验“化学反应速率和活化能的测定”的改进［J］.西部大开发，2010（2）：168-169.

［3］陈广，杨晓丽，万照.化学反应速率和活化能的测定实验的微型化研究［J］.曲靖师范学院学报，2013（3）：34-38.

［4］王立平，李淑新，王亚茹，等.化学反应速率和活化能测定微型实验初探［J］.化学教育，2005（11）：54-55，58.

［5］舒婷.Excel软件应用于化学反应速率与活化能的测定［J］.化学工程师，2013（5）：20-22.

［6］张秀丽，程志国，秦好静，等.化学反应速率与活化能测定实验的微型化［J］.实验技术与管理，2010，27（3）：237-238.

［7］刘小忠.化学反应速率实验的优化［J］.实验科学与技术，2008，6（3）：39-41.