碘钟反应”的反应级数、速率常数和活化能的测定实验报告
化学学院 材化班
一、 实验目的
1、用初速法测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数和反应级数。
2、掌握碘钟反应过程及其原理。
二、简要实验原理
在水溶液中,过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应[1]:
(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)式中产生的少量的会优先和反应而被还原成:
(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:
(3)
根据(1)式中的反应计量关系,可以认为:
(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
(5)
根据(3)(4)(5)可知,
(6)
移项,两边取对数可得
(7)
因而固定,以对作图,根据直线的斜率即可求出;固定,同理可以求出。然后根据求出的和,计算出在室温下“碘钟反应”的反应速率常数。
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,计算出不同温度下的反应速率常数,由Arrhenius公式,以对作图,根据直线的斜率即可求出活化能。
三、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溶液;
0.20M溶液;
0.01M溶液;
4%淀粉溶液;
0.20M溶液;
0.20M溶液。
四、实验内容
1、反应级数和速率常数的测定
按照表1所列数据将每组的溶液、溶液和淀粉溶液放入烧杯A中混合均匀,溶液、溶液和溶液放入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
2、反应活化能的测定
按照表1中第1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。
五、实验数据的记录
1、反应级数和速率常数测定的数据记录
2、不同温度下反应1时间记录
六、实验数据的处理
1、反应级数和速率常数的计算
由5、1数据表格,我们可以依次求出反应级数及数率常数K。
(S2O2-8)反应级数的测定
Ln1/△t与ln(S2O2-8)关系数据表
有计算机做出Ln1/△t与ln(S2O2-8)关系图得:
由图可知:Ln1/△t=1.0548ln(S2O2-8)-0.6377,其中相关系数r=0.99897.对比可知1.0548即为
(S2O2-8)的反应级数。
(I-)反应级数的测定
Ln1/△t与ln(I-)关系数据表
由计算机做出Ln1/△t与ln(I-)关系图得:
由图可知:Ln1/△t=1.04122 ln(I-)-0.6504.其中相关系数r=0.99827.对比公式可知n=1.04122,这就是I2的反应级数。
2、反应数率常数的测定
根据公式
将m、n的值代入,即可算出k的值。
实验数据的处理见下表
由上可知,此反应数率常数为k=0.0263462
3、反应活化能的测定
Lnk对1/T的数据关系见下表:
Lnk对1/T由计算机作图得:
由阿伦尼乌斯公式两边取对数得:lnk=lnA-Ea/RT.
线性拟合的结果为lnk=12.471-4781.48/T, 则由此计算出的活化能为Ea=4781.48*8.314=39.752kJ/mol.
七、实验结果讨论
1、温度对实验的影响
显然,温度越高,反应速率越大。且观察发现,随着温度的升高,碘最终与淀粉的显色越深,可能是由于高温下淀粉糊化,支链结构发生改变,影响碘与淀粉的络合。
2、其他因素对实验的影响
反应计时起始时间,搅拌的程度,溶液体积的变化均会对实验结果产生影响。