化學反應速率及活化能的測定實驗改進

劉永紅，張宜欣，古同男

（首都醫科大學燕京醫學院，北京 101300）

化學反應速率及活化能的測定實驗改進

劉永紅，張宜欣，古同男

（首都醫科大學燕京醫學院，北京 101300）

反應速率；活化能；實驗教學

“化學反應速率及活化能的測定”是醫學院校本、專科無機化學、基礎化學實驗課中的一項必做實驗。我院用的實驗教材是《醫用化學實驗教程》［1］，書中是通過用過硫酸銨與碘化鉀這一慢速反應測定在不同濃度、溫度下反應速率的差異去求速率常數、反應級數及活化能，讓學生掌握化學反應動力學基礎知識，學會數據的記錄及處理［2］。其中，過硫酸銨容易分解，試劑浪費嚴重，且低溫反應時易出現結晶現象，實驗結果誤差較大。改用過硫酸鉀替代過硫酸銨，實現了實驗教學的綠色化、微型化［3］，收到了良好的實驗效果，現將實驗改進及實驗設計介紹如下。

1 實驗儀器及試液

1.1 儀器

恒溫水浴箱、燒杯（50 ml，150 ml）、秒表、電磁攪拌器、吸量管［4］（1 ml，2 ml，5 ml，10 ml）、試管等。

1.2 試液

K2S2O8（0.10 mol/L）、KI（0.20 mol/L）、Na2S2O3（0.01mol/L）、KNO3（0.20 mol/L）、K2SO4（0.10 mol/L）、淀粉溶液（0.2%）、Cu（NO3）2（0.02 mol/L）。

2 實驗方法的改進及比較

2.1 濃度對化學反應速率、反應級數、速率常數的影響（見表1～2）

表1 實驗方法改進后濃度對化學反應速率、反應級數、速率常數的影響

表2 教材中濃度對化學反應速率、反應級數、速率常數的影響

室溫條件下，按照表1中實驗序號1的試劑用量，用吸量管分別量取溶液，除將K2S2O8溶液盛于干燥的小試管外，其余溶液都加入一個干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻后，將小試管中的K2S2O8溶液快速加入燒杯中，同時啟動秒表，當溶液剛出現藍色時，立即按停秒表，記錄反應時間△t及反應溫度。用同樣的方法重復實驗編號2、3、4、5所要求的試劑用量進行另外4次實驗。為了使每次實驗中溶液離子強度和總體積保持不變，用0.10 mol/L的K2SO4溶液及0.20 mol/L的KNO3溶液調整。計算出相應數據，根據實驗編號1、2、3的數據，以lgν對lgS2O82-作圖得到一條直線（見圖1），同理利用編號1、4、5的數據，以對lgI-作圖得到一條直線（見圖2），用Excel可快速準確地實現數據處理［5］。

圖1 lg對lgc（S2O82-）作圖

圖2對lgc（I-）作圖

與教材中實驗結果比較可知：在減少試劑用量的前提下，改進前m=1.15，n=1.54，誤差較大，而改進后由圖1和圖2可以看出，兩條直線的斜率m≈1，n≈1，反應級數m+n=2，且誤差很小，說明改進后的實驗完全符合實驗教學要求，且學生實驗成功率達到100%，收到了良好的實驗效果。

2.2 溫度對化學反應速率的影響（見表3～4）

表3 實驗方法改進后溫度對化學反應速率的影響

表4 教材中溫度對化學反應速率的影響

室溫條件下，按照表1中實驗序號2的試劑用量，除將K2S2O8溶液盛于干燥的小試管外，其余溶液都加入一個干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻后，將盛有溶液的燒杯和試管同時放在冰水浴中，待燒杯和試管的溫度降到距室溫10℃時，將小試管中的K2S2O8溶液快速加入燒杯中，同時啟動秒表，當溶液剛出現藍色時，立即按停秒表，記錄反應時間△t及反應溫度。同樣的方法在低于或高于室溫10℃、20℃的條件下，重復以上實驗，記錄反應時間△t及反應溫度。計算出包括室溫在內的反應速率和反應速率常數，把數據及計算結果填入表中。根據實驗數據以lgk對作圖，可得一條直線（見圖3），由直線的斜率可以求出活化能。

圖3 lgk對作圖

從圖3可以看出，直線的斜率為-2 487.5，按Arrhenius公式計算其活化能的平均值。由直線斜率等于-Ea/2.30R可求反應的活化能（Ea=47.63 kJ·mol），完全符合實驗要求，取得了滿意的實驗結果。教材中Ea=21.89 kJ·mol，比教材中的誤差明顯減小。

2.3 催化劑對化學反應速率的影響（見表5～6）

表5 實驗方法改進后催化劑對化學反應速率的影響

表6 教材中催化劑對化學反應速率的影響

室溫條件下，按照表1中實驗序號4的試劑用量做實驗，注意在向燒杯中加入K2S2O8溶液之前，先分別加入1滴、5滴、10滴0.02 mol/L Cu（NO3）2溶液于干燥的K2S2O8試管內，其余溶液都加入一個干燥的燒杯中，放在攪拌器上攪拌，混合均勻，然后按照上述實驗步驟1的方法操作。記錄反應時間，計算反應速率，填入表5中。將反應速率與表1中實驗序號4的反應速率進行比較。

通過比較可知：實驗方法改進后化學反應時間縮短了、反應速率加快了，但要注意，一定要把催化劑加到K2S2O8溶液的試管內，如果按照教材的順序加入，反應現象不明顯或容易出現計時錯誤。

3 結果與討論

3.1 試劑用量少，試劑保存的時間長，實現了綠色環保

經實驗證實：同樣濃度的過硫酸鉀溶液放置近4個月仍然不影響實驗結果，說明過硫酸鉀溶液比過硫酸銨溶液要穩定，在減小濃度、減少試劑用量的基礎上［6］，如原實驗方案的試劑濃度0.20 mol/L，10 ml；改進后實驗試劑濃度為0.10 mol/L，5 ml，為保持反應中溶液的離子強度不變，用K2SO4代替（NH4）2SO4。在綠色化學思想下改革常規實驗以阻止化學污染［7］，在保證實驗現象和結果的情況下用盡可能少的試劑進行實驗，極大地節省了試劑［8］，最大限度地降低了化學污染的可能性。改進后的實驗反應時間縮短了，反應的速率加快了，誤差減小，重現性好［9］，且可以節省試劑，減少污染。

3.2 實驗效果好，成功率高

改進后的實驗數據更加接近文獻值m≈1（0.997，R2=0.999），n≈1（1.081，R2=1.081），反應級數m+n=2，且誤差很小，說明實驗完全符合實驗教學要求，且學生實驗成功率達到100%，實驗結果令人滿意，收到了良好的實驗效果。

3.3 簡化了操作，提高了實驗效率

改進后的實驗改變了以往化學反應速率和活化能的測定必須在嚴格溫差下進行的慣例，只需10℃左右甚至更小的溫差都可以進行實驗，簡化了操作，有效地提高了實驗效率［3］。

綜上所述，通過改進實驗，本實驗達到了實驗成功率高、數據準確，且兼顧微型化、綠色化的要求。

［1］張學東，丁秋玲.醫用化學實驗教程［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.

［2］文正康.大學無機化學實驗“化學反應速率和活化能的測定”的改進［J］.西部大開發，2010（2）：168-169.

［3］陳廣，楊曉麗，萬照.化學反應速率和活化能的測定實驗的微型化研究［J］.曲靖師范學院學報，2013（3）：34-38.

［4］王立平，李淑新，王亞茹，等.化學反應速率和活化能測定微型實驗初探［J］.化學教育，2005（11）：54-55，58.

［5］舒婷.Excel軟件應用于化學反應速率與活化能的測定［J］.化學工程師，2013（5）：20-22.

［6］張秀麗，程志國，秦好靜，等.化學反應速率與活化能測定實驗的微型化［J］.實驗技術與管理，2010，27（3）：237-238.

［7］劉小忠.化學反應速率實驗的優化［J］.實驗科學與技術，2008，6（3）：39-41.

［8］彭艷芬，吳秋艷，柴冬梅.化學反應速率實驗的改進［J］.池州學院學報，2011，25（6）：125-126.

［9］蔡禮儒.化學反應速率測定實驗的優化研究［J］.樂山師范學院學報，2013，28（12）：35-37.

G424.31

B

1671-1246（2015）14-0080-03