孙 娜，诸葛炳森

(安徽工程大学 化学与环境工程学院，安徽 芜湖 241000)

0 引言

“化学反应速率与活化能的测定”是无机化学实验中的重要实验之一，该实验围绕化学反应动力学展开，其对关键参数如化学反应速率与活化能的研究是确定反应过程条件参数如温度、浓度、催化剂、压力等外界因素对反应速率影响的重要内容，这对优化反应条件，提高反应选择性及主反应速率，使反应朝着设想的方向进行，具有重要的指导意义[1-2]。该实验以(NH4)2S2O8与KI的反应为基础，通过引入Na2S2O3并利用I3-与淀粉的显色反应判断实验终点并记录反应时间[3]，通过数据处理得到整个反应动力学过程的反应速率、反应级数、反应速率常数及反应活化能等数据，分析反应条件对化学反应动力学过程的影响，加深对反应动力学过程的认识。

1 实验目的

1)培养学生实验操作的基本技能；

2)掌握反应物条件(浓度、温度)对化学反应速率的影响规律；

3)根据实验数据计算反应速率、反应级数、反应速率常数及反应活化能。

2 实验原理

(NH4)2S2O8和KI在水溶液中发生如下反应：

S2O82-(aq)+3I-(aq)=2SO42-(aq)+I3-(aq)

(1)

平均反应速率计算公式：

为了测出在一定时间(Δt)内S2O82-的浓度变化，在混合(NH4)2S2O8和KI溶液的同时，加入一定体积的已知浓度的Na2S2O3溶液和淀粉溶液，这样在反应(1)进行的同时，还有以下反应发生：

2S2O32-(aq)+I3-(aq)=S4O62-(aq)+3I-(aq)

(2)

反应(2)的速率远大于反应(1)，因此，反应(1)生成的I3-会立即与S2O32-反应生成无色的S4O62-和I-。从而在反应开始的一段时间内，溶液呈无色，但当Na2S2O3一旦耗尽，由反应(1)生成的微量I3-就会立即与淀粉作用，使溶液呈蓝色，由此可以判断反应终点。在该实验中，由于每份混合液中Na2S2O3的起始浓度都相同，因而Δc(S2O32-)也是相同的，这样，只要记下从反应开始到出现蓝色所需要的时间(Δt)，就可以算出一定温度下该反应的平均反应速率：

=-Δc(S2O32-)/2Δt

=c0(S2O32-)/(2Δt)

由阿伦尼乌斯公式(Arrhenius)公式k=Ae-Ea/RT变形得lgk=A-Ea/2.303RT

其中，A：指前因子，Ea：反应的活化能，R：摩尔气体常数(8.314 J·mol-1·K-1)，T：热力学温度(K)。求出不同温度时的k值后，以lgk对T-1作图，由直线的斜率-Ea/2.303RT可求得反应的活化能Ea。

3 实验试剂与仪器

1)实验试剂：(NH4)2S2O8(0.2 mol·L-1)，KI(0.2 mol·L-1)，Na2S2O3(0.05 mol·L-1), KNO3(0.2 mol·L-1)，(NH4)2SO4(0.2 mol·L-1)，淀粉溶液(1%)，Cu(NO3)2(0.02 mol·L-1)。

2)仪器：秒表，磁力搅拌器，烧杯，量筒(10 mL)，一次性吸管(1 mL)，恒温水浴锅，冰浴装置。

4 实验过程与结果讨论

4.1 浓度对反应速率的影响，求反应级数、速率系数

在室温下，各反应物用量如表1所示，当加入(NH4)2S2O8溶液时，立即计时，并用磁力搅拌器将溶液混合均匀，待溶液开始变蓝时停止计时，记下时间Δt和温度。

表1 反应物浓度对反应速率的影响实验数据(室温12℃)

分析可知，当保持其他条件相同时，随反应物浓度的增加，其反应速率增大，如加入的S2O82-浓度增加2倍(或4倍)，其反应速率从3.94×10-6mol L-1s-1增大到8.46×10-6mol L-1s-1(或17.08×10-6mol L-1s-1)。以上结果可用碰撞理论解释：在保持其他条件一致的情况下，增加反应物浓度，单位体积内活化分子总数增多，有效碰撞次数增多，进而反应速率增快。

4.2 温度对反应速率的影响，求活化能

按表1中实验序号1的试剂用量，改变反应温度分别为冰浴(0 ℃)和水浴(40 ℃)重复实验，记录反应时间，计算3个温度下的反应速率及速率系数(表2)。当温度由0 ℃升至12 ℃，其反应速率增大约1.4倍(由7.2×10-6mol L-1s-1提高到17.08×10-6mol L-1s-1)，当温度由室温提高到40 ℃时，其反应速率增大到130.2×10-6mol L-1s-1，约增大6.6倍。这些结论均与理论认知相符，一般而言，温度每升高10 ℃，反应速率增大1～4倍。若用碰撞理论解释：当温度升高时，活化分子百分比增多，同时碰撞频率升高，单位体积内有效碰撞次数增加，进而反应速率增快。

表2 温度对反应速率的影响实验数据

活化能Ea表示一个化学反应发生所需要的最小能量即反应物分子从常态转变为活化分子所需要的能量，可以用来表示化学反应发生的难易程度。利用表2中不同温度实验数据所得的k，作lgk-T-1图(图1)，根据Arrhenius公式Ea=直线斜率×(-2.303R)求出反应的活化能为51.70 kJ mol-1，这与标准值51.8 kJ mol-1相一致。

图1 阿伦尼乌斯拟合曲线图

5 结语

化学反应速率与活化能的测定实验证明增加反应物浓度或者提高温度均可使反应速率得到提高，这为反应的设计提供方向。该实验作为综合性基础实验已在我校化学及相关专业开设多年，其实验操作简单，应用性强，整个过程以学生为主体，积极主动地进行探索，有利于其将理论知识与实验过程现象建立链接，深化对理论知识的认知，有助于在实践中认识化学反应动力学过程，掌握反应动力学过程的实验参数优化途径，对锻炼学生基本实验操作能力，提高数据处理及分析等能力，培养自身基本科研素养以及其他课程的学习奠定基础。