對測量反應速率實驗的思考及改進

魏毅鳴

摘要：通過查閱參考文獻，對人教版《化學反應原理》實驗2-1進行思考和改進。經過對原實驗數據的量化分析，指出誤差產生的原因。設計用Y型反應器結合排水量氣法的實驗裝置，測量不同濃度硫酸與鋅粒的反應速率。改進后實驗裝置簡易嚴謹，克服了原教材實驗的不足，有良好的教學效果。

關鍵詞：反應速率測定；實驗裝置改進；Y型反應器；起始反應濃度；實驗探究

文章編號：1005-6629（2018）1-0075-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學是一門以實驗為基礎的科學，實驗可分為定性實驗和定量實驗。定性實驗要求現象明顯清晰，能夠說明問題；而定量實驗要求更嚴謹，因為涉及數據的精確性。因此，對于定量實驗的測定一定要控制好不確定的因素，確保所得數據的可信度。教科書上的演示實驗和探究實驗在定量測量上必須科學嚴謹，馬虎不得。

1對測量反應速率實驗的思考

在人教版《化學反應原理》第二章第一節“化學反應速率”教學時碰到了一個問題，發現某些因素導致了演示實驗2-1的實驗數據不能準確測定，且誤差較大。現將該實驗介紹如下：

按圖1安裝兩套裝置，在錐形瓶內各盛有2g鋅粒（顆粒大小基本相同），通過分液漏斗分別加入40mL1.0mol/L和40mL4.0mol/，L的硫酸，比較二者收集10mLH₂所用的時間。把實驗結果填入表1：

教參上對于這個實驗的活動建議是：

實驗2-1注意檢驗裝置的氣密性，尤其是注射器的內外管是否密合得很好。酸的濃度要適中，否則控制生成H₂的速率會發生困難。氣體收集可以用排水量氣裝置代替。

在室溫24.6℃下進行以上實驗，通過排水量氣法測得從反應開始到收集滿10mL氣體所需的時間，數據如表2所示。

實際所得的以上數據是不能真正反映兩種不同濃度硫酸與相同質量的鋅粒反應速率的對比狀況的。

在實驗時發現存在以下幾方面問題：（1）若從硫酸注入時進行測量，隨著酸液的流入，容器中的氣體同時會排出，無法確定何時為收集10mLH₂的時刻。收集的氣體主要是由注入的硫酸排開的空氣所導致的。由于密度不同，濃度不同的硫酸等體積時對空氣施加的壓力不同，且由于黏度不同，流速也不同，會導致排出空氣的速率不同；不同分液漏斗活塞釋放液體的流速不同也影響排出空氣的速率。通過實驗發現在該實驗中影響數據準確性的有以下干擾因素：分液漏斗活塞旋鈕的開合程度（不同的開合程度影響酸液的流速，進而影響排出氣體的速度）；酸液本身的黏性（較濃的硫酸黏滯性較強，導致流速偏慢，進而排出氣體的速度反而慢）。（2）如果用體積差法進行測量，當硫酸注入完畢即排出氣體達到40mL時開始測量收集10mL氣體所用的時問，則該方案不足之處在于此時并不是相同溫度下測定的指定濃度的硫酸溶液與鋅粒的反應，此時溫度的差異是否可以忽略不計是值得思考的；且此時反應速率會達到比較快的程度，用分鐘作為計時單位也是值得商榷的。（3）當注入40mL硫酸后，分液漏斗應該處于液封狀態或者保持氣密狀態，但本裝置無法實現這樣一個目標，少量氣體會從分液漏斗上口逸出。

2對測量反應速率實驗的改進

帶著以上的思考，查閱了一些資料，發現前人對本實驗已經有所反思和改進。如吳名勝等對該實驗進行了改進，設計了多種測量反應速率的方案。他們發現該實驗有以下不足：

（1）硫酸溶液濃度太大，反應時間太短，來不及計時，造成結果誤差大。

（2）由于氣體頂托，造成酸液流速慢。剛開始時（漏斗下端還沒有被液封時），有氣體從分液漏斗中逸出（H₂密度小于空氣），導致測出收集10mL氣體所需時間不準。

（3）針筒活塞的靜摩擦力，致使移動過程是跳躍式的，讀數不準。若用同一針筒實驗使用多次就有滯動情況（因針筒內有氫氣帶人的水蒸氣，使活塞滯動）。

（4）不同廠家生產的鋅粒與相同濃度的硫酸溶液反應，速率相差較大。

針對這些不足，他們在反應裝置上進行了一些改進，如圖2、圖3所示。

上述文獻中還對收集裝置和操作作了改進，改用收集30mL氣體，并對針筒活塞用擋板處理防止掉落，并做了潤滑處理。另外還對硫酸濃度作了改動，他們用3.0mol/L和2.0mol/L的硫酸進行對比實驗，速率適中，對比明顯。最后他們也提到該反應為放熱反應，只有初始反應時測量速率才有比較意義。

就裝置改進來說上述兩個裝置都是存在一定問題的。首先是過于復雜的實驗裝置會使定量實驗的測量存在眾多變數，增大了產生誤差和失敗的可能性。其次，從測量的嚴謹性上對這兩個裝置進行分析。圖2的改進裝置1雖然能夠很好地測量10mL氣體產生的時間，但是存在兩個問題：第一，銅絲與鋅粒接觸會產生原電池，對反應的速率產生影響，并可能使濃度的影響成為次要因素。第二，銅絲如果能靈活地上下移動則必然會對整個裝置的氣密性產生影響，本實驗成敗就在于整個裝置的氣密性。銅絲的靈活性和裝置的氣密性不可兼得：具有一定機械強度的銅絲必然有一定的粗度，而粗銅絲若要通過膠塞上下靈活移動沒有一定的孔徑是無法實現的，而孔徑越大則氣密性越差。圖3的改進裝置2雖然解決了氣密性的問題，但是在測量時不能解決實驗2-1的兩個問題：（1）若從硫酸注入時進行測量，主要是容器中的空氣同時會排人注射器，無法確定何時為開始收集H，的時刻。（2）若等硫酸注入完畢開始測量，則溫度較高，速度較快，難以測量，且濃度不同硫酸反應后體系溫度差異較大，不能滿足體系溫度一致的要求。

因此，只有初始反應時測量速率才有比較意義。原因一是硫酸的濃度相近具有可比性，二是溫度在初始反應時才是相等的，處于室溫，隨著反應進行由于是放熱反應，溫度必然會有所升高。當然，短時間內不同濃度的硫酸與鋅粒反應溫度是否升高到有所差異的程度，需作實驗探究才能得出結論。為此，設計了以下方案來比較該實驗反應后短時間內溫度的變化差異。

實驗設計：對40mL4.0mol/L硫酸和40mL1.0mol/L硫酸分別與2.0g鋅粒的反應體系，考察從開始反應隨時間溫度的升高趨勢，以判斷多長時間內注入硫酸可以忽略溫度對反應速率的影響。

實驗儀器：250mL燒杯2只，電子測溫儀，秒表，托盤天平

用電子測溫儀分別測量40mL4.0mol/L硫酸和1.0mol/L硫酸與2.0g鋅粒（粒徑1.5～2.0mm）反應的溫度變化，每5秒鐘讀取一次讀數。讀取3分鐘之內的數據（室溫15.3℃），如表3所示。

實驗儀器：Y型反應器，導管，50mL量筒，水槽，秒表，托盤天平

實驗藥品：4.0mol/L硫酸，1.0moL/L硫酸，鋅粒（粒徑1.5～2.0mm）

實驗步驟：用紙槽先在Y型反應器的一支管裝入1.0g鋅粒，再在Y型反應器的另一支管小心倒入10mL4.0mol/L硫酸，用導氣管、水槽和裝滿水的50mL量筒組成裝置3，通過調整傾角迅速使硫酸與鋅粒混合，用排水集氣法收集氣體，同時用秒表測量收集10mL氣體所需時間。再改用1.0mol/L硫酸用相同裝置重復以上步驟。

在室溫27.6℃下進行以上實驗，得到以下數據（見表4）：

由以上數據明顯看出較濃的硫酸在同等條件下和鋅粒反應產生氫氣的平均速率較快。該改進裝置儀器都是中學常見儀器，且連接簡單，氣密性容易保證，裝置反應體系空間小，出氣迅速，操作簡單方便，速率適中，藥品消耗也少。這樣既能測量到從起始反應開始的平均速率，又能保證實驗的嚴謹性，順利克服了原教材實驗2-1的諸多不足，教學效果良好。endprint