顏色傳感器在反應(yīng)速度常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

熊 輝，馮文杰，莫婉玲，王洪偉，周錦蘭，梅付名，李光興

(華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430074)

反應(yīng)速度常數(shù)及活化能的測(cè)定及計(jì)算是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中不可或缺的教學(xué)內(nèi)容，測(cè)定的方法是：在KI的酸性溶液中，加入一定量的淀粉溶液和已知濃度的Na2S2O3溶液，然后加入一定量的H2O2溶液，進(jìn)行以下反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是要保證在碘離子濃度不變的前提下記錄到溶液變色的時(shí)刻。由于學(xué)生對(duì)顏色的判斷不敏感，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差很大。通過引入顏色傳感器，用儀器來(lái)代替人眼的判斷，在溶液顏色變化時(shí)給學(xué)生以提示，可減少實(shí)驗(yàn)誤差、提高實(shí)驗(yàn)精度。作者研制了一種適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)溶液顏色的微型裝置，并與反應(yīng)速度常數(shù)及活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置集成于一體，通過實(shí)驗(yàn)篩選并整合優(yōu)化，使實(shí)驗(yàn)裝置具有通用性和可擴(kuò)展性。為開發(fā)新的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一種新的思路和有效的手段。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 技術(shù)原理

檢測(cè)系統(tǒng)采用光電傳感器，它的作用是將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電傳感器對(duì)光的敏感主要是利用半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性受光照射后發(fā)生變化，即利用的是光電效應(yīng)[1]；它可以與LED組合工作。采用顏色檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液顏色的變化，避免了反應(yīng)溶液顏色觀察的人為因素影響，極大地減少了滴加時(shí)間的判斷誤差。在實(shí)驗(yàn)過程中，是否滴加Na2S2O3是通過反應(yīng)溶液的顏色變化來(lái)判斷，所以，檢測(cè)反應(yīng)溶液變色信號(hào)是該研究的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)變色所對(duì)應(yīng)的 RGB值作為判別的臨界值，采用RGB editor軟件選取；檢測(cè)系統(tǒng)采用TCS230顏色傳感芯片作為 RGB顏色識(shí)別傳感器，在測(cè)試到溶液顏色達(dá)到預(yù)設(shè)值后提示變色警報(bào)：蜂鳴器配合LED指示燈；選用7段數(shù)碼管作為時(shí)間及其它關(guān)鍵參數(shù)的顯示器件。

1.2 方法

用移液管取10 mL 0.4 mol·L-1KI溶液，加到250 mL容量瓶中，用水稀釋到容量瓶體積的2/3；量取2 mL 3 mol·L-1H2SO4溶液，加蒸餾水稀釋至10 mL，然后倒入裝有KI的容量瓶中，并滴加10滴淀粉溶液，再用蒸餾水稀釋到刻度，搖勻，倒入500 mL燒杯內(nèi)。控制反應(yīng)溫度為31 ℃，待內(nèi)外溫度平衡后，用滴定管滴加2 mL標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3溶液(0.05 mol·L-1)，隨即用移液管加入10 mL標(biāo)準(zhǔn)H2O2溶液(0.2 mol·L-1)，同時(shí)打開顏色檢測(cè)儀，當(dāng)溶液變色，儀器聲光提示時(shí)記下時(shí)間t，并迅速用滴定管加入2 mL Na2S2O3溶液，此后每當(dāng)溶液變色提示時(shí)，加入2 mL Na2S2O3溶液，直到所加入的Na2S2O3溶液總量達(dá)16 mL時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。在41 ℃下以同樣的方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過測(cè)出不同時(shí)刻t時(shí)H2O2的濃度ct(ct由消耗的標(biāo)準(zhǔn)Na2S2O3溶液體積Vt換算求得，V0=80 mL)，以ln(V0-Vt)對(duì)t作圖，求出直線的斜率m(m=-k′=-kcr，其中cr為I-濃度)，進(jìn)而求出在該反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速度常數(shù)k，最后根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算反應(yīng)的活化能[2]。

對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置在相同反應(yīng)條件(攪拌速度30 r·min-1)下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)果(圖1)

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)定結(jié)果

由圖1可知，在反應(yīng)溫度為31 ℃時(shí)，直線斜率m=-0.000196，cr=0.0149 mol·L-1。kT=31 ℃=0.000196/0.0149=0.0131 s-1。同樣可得出：kT=41 ℃=0.0248 s-1。

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)果(圖2)

根據(jù)圖2數(shù)據(jù)算出kT=31 ℃=0.0125 s-1；kT=41 ℃=0.0253 s-1。

圖2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)定結(jié)果

計(jì)算得到改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)定的活化能：EA=56.27 kJ·mol-1。

通過與文獻(xiàn)值EA=58.70 kJ·mol-1[3]對(duì)比，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)誤差為14.0%，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)誤差為4.1%，表明后者可以更加準(zhǔn)確地測(cè)出反應(yīng)的活化能，提高實(shí)驗(yàn)精度。

3 結(jié)論

首次將光學(xué)元件與反應(yīng)速度常數(shù)及活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置集成于一體，具有空間小、質(zhì)量輕、維護(hù)方便、節(jié)省材料和能源、集成度高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過近一年的應(yīng)用表明，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷、減少了人為誤差，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試手段的改進(jìn)和創(chuàng)新，是目測(cè)方法的最佳替代。同時(shí)，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置利用率高，具有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張英華,李明海,趙傳峰,等.基于顏色傳感器的水質(zhì)硬度在線自動(dòng)測(cè)試儀的研制[J].分析儀器，2010，(5)：18-21.

[2] 周井炎.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(上冊(cè))[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004：65.

[3] 傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng).物理化學(xué)(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2006：278.