顏色傳感器在反應速度常數測定實驗中的應用

熊 輝，馮文杰，莫婉玲，王洪偉，周錦蘭，梅付名，李光興

(華中科技大學化學與化工學院，湖北 武漢 430074)

反應速度常數及活化能的測定及計算是物理化學實驗課程中不可或缺的教學內容，測定的方法是：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，進行以下反應：

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實驗成功的關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刻。由于學生對顏色的判斷不敏感，導致實驗誤差很大。通過引入顏色傳感器，用儀器來代替人眼的判斷，在溶液顏色變化時給學生以提示，可減少實驗誤差、提高實驗精度。作者研制了一種適用于實時監測反應溶液顏色的微型裝置，并與反應速度常數及活化能測定實驗裝置集成于一體，通過實驗篩選并整合優化，使實驗裝置具有通用性和可擴展性。為開發新的基礎化學實驗提供了一種新的思路和有效的手段。

1 實驗

1.1 技術原理

檢測系統采用光電傳感器，它的作用是將光信息轉換為電信號。光電傳感器對光的敏感主要是利用半導體材料的電學特性受光照射后發生變化，即利用的是光電效應[1]；它可以與LED組合工作。采用顏色檢測技術來實時監測溶液顏色的變化，避免了反應溶液顏色觀察的人為因素影響，極大地減少了滴加時間的判斷誤差。在實驗過程中，是否滴加Na2S2O3是通過反應溶液的顏色變化來判斷，所以，檢測反應溶液變色信號是該研究的關鍵點。根據變色所對應的 RGB值作為判別的臨界值，采用RGB editor軟件選取；檢測系統采用TCS230顏色傳感芯片作為 RGB顏色識別傳感器，在測試到溶液顏色達到預設值后提示變色警報：蜂鳴器配合LED指示燈；選用7段數碼管作為時間及其它關鍵參數的顯示器件。

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。控制反應溫度為31 ℃，待內外溫度平衡后，用滴定管滴加2 mL標準Na2S2O3溶液(0.05 mol·L-1)，隨即用移液管加入10 mL標準H2O2溶液(0.2 mol·L-1)，同時打開顏色檢測儀，當溶液變色，儀器聲光提示時記下時間t，并迅速用滴定管加入2 mL Na2S2O3溶液，此后每當溶液變色提示時，加入2 mL Na2S2O3溶液，直到所加入的Na2S2O3溶液總量達16 mL時，停止實驗。在41 ℃下以同樣的方法重復實驗。通過測出不同時刻t時H2O2的濃度ct(ct由消耗的標準Na2S2O3溶液體積Vt換算求得，V0=80 mL)，以ln(V0-Vt)對t作圖，求出直線的斜率m(m=-k′=-kcr，其中cr為I-濃度)，進而求出在該反應溫度下的反應速度常數k，最后根據阿倫尼烏斯公式計算反應的活化能[2]。

對傳統實驗裝置和改進實驗裝置在相同反應條件(攪拌速度30 r·min-1)下得到的實驗數據進行對比分析計算。

2 結果與討論

2.1 傳統實驗裝置的結果(圖1)

圖1 傳統實驗裝置的測定結果

由圖1可知，在反應溫度為31 ℃時，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 改進實驗裝置的結果(圖2)

根據圖2數據算出kT=31 ℃=0.0125 s-1；kT=41 ℃=0.0253 s-1。

圖2 改進實驗設備的測定結果

計算得到改進實驗裝置測定的活化能：EA=56.27 kJ·mol-1。

通過與文獻值EA=58.70 kJ·mol-1[3]對比，傳統實驗裝置的實驗誤差為14.0%，改進實驗裝置的實驗誤差為4.1%，表明后者可以更加準確地測出反應的活化能，提高實驗精度。

3 結論

首次將光學元件與反應速度常數及活化能測定實驗裝置集成于一體，具有空間小、質量輕、維護方便、節省材料和能源、集成度高、檢測速度快等優點。經過近一年的應用表明，實驗操作簡單快捷、減少了人為誤差，是對傳統測試手段的改進和創新，是目測方法的最佳替代。同時，對原有實驗裝置利用率高，具有較好的實用價值和推廣前景。

參考文獻：

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

[2] 周井炎.基礎化學實驗(上冊)[M].武漢：華中科技大學出版社，2004：65.

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