利用數字化實驗研究硫代硫酸鈉與硫酸反應速率的影響因素

陳 功 羅榆琴 佘文靜 馬宏佳

（南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210046）

一、問題提出

硫代硫酸鈉與硫酸的反應是高中化學教學中研究溫度對化學反應速率影響的重要實驗之一。在實際教學中，常在反應器底部墊一張畫有十字的白紙，通過觀察生成的硫單質沉淀使十字完全看不見所需要的時間來判斷反應的快慢。但這樣的判斷往往因人而異，沒有量化的數據。而應用色度計和溫度傳感器，可以很好地解決這一問題。

此外，能否在教學中用該實驗介紹濃度對反應速率的影響，不同反應物濃度的變化對反應速率的影響是否一致？筆者也用色度計和溫度傳感器進行了研究。

二、實驗原理與設計

1.實驗反應方程式

2.溫度對反應速率的影響

大多數化學反應速率隨溫度升高而增加。范特霍夫曾總結出一條近似規律：溫度每升高10K，反應速率變為原來的2～4倍。范特霍夫規則可用于對反應速率的粗略估算，但適用范圍有限。阿侖尼烏斯提出了一個較為精確地描述反應速率常數與溫度關系的經驗公式：

式中k為速率常數，A為指前因子，Ea為反應的活化能。速率常數是單位濃度下的反應速率，速率常數越大的反應，反應速率越快。由阿侖尼烏斯公式可知，溫度對反應速率的影響與反應的活化能大小和反應的溫度區間有關。

3.色度計原理

色度計可測量溶液的透光率 （T），相當于一臺簡易的分光光度計。它通過濾光片發出一定波長的平行光，當一束平行光通過比色皿中均勻的溶液介質時，光的一部分被吸收（It），一部分被透過（Io）。通過比對透射光強度與發射光強度，即可得到透光度T（T＝It／Io）。根據朗伯比爾定律，溶液的吸光度（A）與吸光物質的濃度 （c）和吸收層厚度（b）的乘積成正比，且等于透光率倒數的對數：

吸光度 A ＝lg（1／T）＝Kcb（K 為比例常數）

本實驗中生成的硫為顆粒極小的懸浮物，在溶液中分布均勻，當生成硫的量不斷增加時，透射光強度逐漸減少，吸光度 （A）與生成硫的量成正比，可以據此確定反應速率。本實驗采用稀釋法獲取一組不同濃度的溶液，將裝有溶液的容器在恒溫電磁攪拌器上加熱保溫，獲得不同溫度的溶液，然后取一定量溶液在比色皿中混合反應，并用實時數據采集軟件記錄反應過程。

三、實驗過程

1.儀器與藥品

Vernier色度計 （COL－BTA型），Venier溫度傳感器（TMP－BTA），Vernier LabPro 數據采集器，數據采集軟件（Logger Pro 3.8.5.1），比色皿，滴管，量筒（10 mL），恒溫磁力攪拌器。

硫代硫酸鈉溶液，硫酸溶液。

2.實驗步驟

（1）如裝置圖 1所示連接各裝置，接好數據采集器外接電源，打開數據采集軟件。

圖1 實驗裝置

（2）色度計用蒸餾水校準，并取硫代硫酸鈉與硫酸混合液樣品尋找最大吸收波長，經實測效果驗證，選用吸收波長為430 nm。

（3）將 0.025 mol／L 硫代硫酸鈉和 0.025mol／L 硫酸放置在恒溫攪拌器上水浴保溫。 分別取60、50、40、30、20℃下溶液各2mL，在比色皿中混合，放入色度計內并記錄數據。（每0.25s讀取1個數據，采集時間300s，下同）。

（4） 將 0.1mol／L 硫酸與 0.05、0.025、0.0125mol／L 硫代硫酸鈉各2mL，在比色皿中混合，放入色度計內并記錄數據。

（5） 將 0.05mol／L 硫 代 硫 酸 鈉 與 0.05、0.025、0.0125mol／L 硫酸各 2 mL，在比色皿中混合，放入色度計內并記錄數據。

四、實驗數據記錄與分析

1.溫度對于反應速率的影響

2 mL 0.025mol／L 硫代硫酸鈉與 2 mL 0.025mol／L 硫酸混合， 分別在 60℃（a）、50℃（b）、40℃（c）、30℃（d）、20℃（e）下反應的吸光度（A）隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度下硫代硫酸鈉與硫酸反應吸光度隨時間變化曲線

顯然，不同溫度下，反應達到相同吸光度所需要的時間是不同的。選取吸光度（A）為0.5和0.7為觀察點，定義相應吸光度與達到所需時間的比為表觀速率（由朗伯比爾定律可知，表觀速率與實際速率成正比），并計算同一溫度下吸收度（A）分別為0.5和0.7時的表觀速率的均值，得實驗數據及處理結果見表1。

表1 不同溫度反應速率數據表

即溫度從20℃上升到30℃，反應速率增加1.71倍（v30／v20＝1.71）， 同理有 v40／v30＝1.86，v50／v40＝1.38，v60／v50＝1.28。

2.濃度對于反應速率的影響

（1）測定硫代硫酸鈉濃度變化對反應速率的影響

2 mL 0.1mol／L 硫 酸 分 別 與 2 mL 0.05mol／L （a）、0.025 mol／L （b）、0.0125 mol／L （c） 硫代硫酸鈉溶液混合，測得反應的吸光度（A）隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 不同濃度硫酸與硫代硫酸鈉反應吸光度隨時間變化曲線

選取吸光度（A）為 0.5 和 0.7 為觀察點，不同濃度下反應時間如表2：

表2 不同濃度硫代硫酸鈉反應達到相應吸光度所需時間

為比較濃度對速率影響的大小，我們定義一個速率影響因子X。X為在不同濃度時，達到某一吸光度（A）所需的最長時間與最短時間的差值與最短時間之間的比值。

表示為 XA＝（tmax－tmin）／tmin

則 X0.5＝5.97，X0.7＝6.18，取均值，X＝6.08。

（2）測定硫酸濃度變化對反應速率的影響

2 mL 0.05 mol／L 硫代硫酸鈉分別與 2 mL 0.05 mol／L（a）、0.025 mol／L（b）、0.0125 mol／L（c）硫酸溶液混合，測得反應的吸光度（A）隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同濃度硫代硫酸鈉與硫酸反應吸光度隨時間變化曲線

選取吸光度（A）為 0.5 和 0.7 為觀察點，不同濃度下反應時間如表3：

表3 不同濃度硫酸反應達到相應吸光度所需時間

同理，X0.5＝1.30，X0.7＝1.70，取均值 X＝1.50。

五、研究結果與討論

1.升高溫度可以提高反應速率。在本實驗條件下，硫代硫酸鈉與硫酸的反應每升高10K反應速率提高1.28－1.86倍，且在溫度較低時，升高溫度可以更顯著的提高反應速率。

2.不同反應物濃度變化對反應速率的影響可能不同。根據速率影響因子大小，可以看出在相同條件下，硫代硫酸鈉的濃度對于反應速率的影響比硫酸濃度影響要大得多（6.08＞＞1.50）。 對于該現象的初步解釋是硫代硫酸鈉與硫酸反應可能分為兩步進行：

其中反應①速率快，而②反應速率較慢，為決速步，故總反應速率受氫離子濃度影響不大。

3.本實驗設計的優勢在于引入定量及半定量的方式研究溫度對反應速率的影響。學生可以利用色度計獲得實驗數據，計算出溫度升高確定數值時反應速率增加的倍數，并發現不同溫度區間內溫度對速率的影響程度是不同的。這對有興趣的學生進一步認識范特霍夫規則甚至阿侖尼烏斯經驗公式具有很好的啟發性。

4.用定量及半定量的方式研究濃度對反應速率的影響可以深化學生的認知，開發了課本上該實驗的潛在教學價值。之前的學習中學生只知道反應速率與反應物濃度成正比這一模糊的概念，而本實驗探究可以較好地引發認知沖突，讓學生初步意識到不同反應物濃度對反應速率的影響程度可能不同，從而激活學生的思維。

［1］ 北京師范大學無機化學教研室.無機化學（上冊）（第四版）［M］.北京：高等教育出版社：272－278

［2］ 北京師范大學，華中師范學院，南京師范學院無機化學教研室.無機化學（上冊）（第 1 版）［M］.北京：人民教育出版社：135－137

［3］ 宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書化學4 （必修）［M］.北京： 人民教育出版社，2007： 20