對(duì)測量反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)的思考及改進(jìn)

魏毅鳴

摘要：通過查閱參考文獻(xiàn)，對(duì)人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》實(shí)驗(yàn)2-1進(jìn)行思考和改進(jìn)。經(jīng)過對(duì)原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化分析，指出誤差產(chǎn)生的原因。設(shè)計(jì)用Y型反應(yīng)器結(jié)合排水量氣法的實(shí)驗(yàn)裝置，測量不同濃度硫酸與鋅粒的反應(yīng)速率。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置簡易嚴(yán)謹(jǐn)，克服了原教材實(shí)驗(yàn)的不足，有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)速率測定；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)；Y型反應(yīng)器；起始反應(yīng)濃度；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2018）1-0075-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)可分為定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)。定性實(shí)驗(yàn)要求現(xiàn)象明顯清晰，能夠說明問題；而定量實(shí)驗(yàn)要求更嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)樯婕皵?shù)據(jù)的精確性。因此，對(duì)于定量實(shí)驗(yàn)的測定一定要控制好不確定的因素，確保所得數(shù)據(jù)的可信度。教科書上的演示實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)在定量測量上必須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，馬虎不得。

1對(duì)測量反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)的思考

在人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)時(shí)碰到了一個(gè)問題，發(fā)現(xiàn)某些因素導(dǎo)致了演示實(shí)驗(yàn)2-1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確測定，且誤差較大。現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)介紹如下：

按圖1安裝兩套裝置，在錐形瓶內(nèi)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(shí)間。把實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1：

教參上對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)建議是：

實(shí)驗(yàn)2-1注意檢驗(yàn)裝置的氣密性，尤其是注射器的內(nèi)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(huì)發(fā)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(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)，通過排水量氣法測得從反應(yīng)開始到收集滿10mL氣體所需的時(shí)間，數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)際所得的以上數(shù)據(jù)是不能真正反映兩種不同濃度硫酸與相同質(zhì)量的鋅粒反應(yīng)速率的對(duì)比狀況的。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)存在以下幾方面問題：（1）若從硫酸注入時(shí)進(jìn)行測量，隨著酸液的流入，容器中的氣體同時(shí)會(huì)排出，無法確定何時(shí)為收集10mLH₂的時(shí)刻。收集的氣體主要是由注入的硫酸排開的空氣所導(dǎo)致的。由于密度不同，濃度不同的硫酸等體積時(shí)對(duì)空氣施加的壓力不同，且由于黏度不同，流速也不同，會(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在該實(shí)驗(yàn)中影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)，導(dǎo)致流速偏慢，進(jìn)而排出氣體的速度反而慢）。（2）如果用體積差法進(jìn)行測量，當(dāng)硫酸注入完畢即排出氣體達(dá)到40mL時(shí)開始測量收集10mL氣體所用的時(shí)問，則該方案不足之處在于此時(shí)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(yīng)，此時(shí)溫度的差異是否可以忽略不計(jì)是值得思考的；且此時(shí)反應(yīng)速率會(huì)達(dá)到比較快的程度，用分鐘作為計(jì)時(shí)單位也是值得商榷的。（3）當(dāng)注入40mL硫酸后，分液漏斗應(yīng)該處于液封狀態(tài)或者保持氣密狀態(tài)，但本裝置無法實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)目標(biāo)，少量氣體會(huì)從分液漏斗上口逸出。

2對(duì)測量反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

帶著以上的思考，查閱了一些資料，發(fā)現(xiàn)前人對(duì)本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)有所反思和改進(jìn)。如吳名勝等對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了多種測量反應(yīng)速率的方案。他們發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)有以下不足：

（1）硫酸溶液濃度太大，反應(yīng)時(shí)間太短，來不及計(jì)時(shí)，造成結(jié)果誤差大。

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

（3）針筒活塞的靜摩擦力，致使移動(dòng)過程是跳躍式的，讀數(shù)不準(zhǔn)。若用同一針筒實(shí)驗(yàn)使用多次就有滯動(dòng)情況（因針筒內(nèi)有氫氣帶人的水蒸氣，使活塞滯動(dòng)）。

（4）不同廠家生產(chǎn)的鋅粒與相同濃度的硫酸溶液反應(yīng)，速率相差較大。

針對(duì)這些不足，他們?cè)诜磻?yīng)裝置上進(jìn)行了一些改進(jìn)，如圖2、圖3所示。

上述文獻(xiàn)中還對(duì)收集裝置和操作作了改進(jìn)，改用收集30mL氣體，并對(duì)針筒活塞用擋板處理防止掉落，并做了潤滑處理。另外還對(duì)硫酸濃度作了改動(dòng)，他們用3.0mol/L和2.0mol/L的硫酸進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，速率適中，對(duì)比明顯。最后他們也提到該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，只有初始反應(yīng)時(shí)測量速率才有比較意義。

就裝置改進(jìn)來說上述兩個(gè)裝置都是存在一定問題的。首先是過于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置會(huì)使定量實(shí)驗(yàn)的測量存在眾多變數(shù)，增大了產(chǎn)生誤差和失敗的可能性。其次，從測量的嚴(yán)謹(jǐn)性上對(duì)這兩個(gè)裝置進(jìn)行分析。圖2的改進(jìn)裝置1雖然能夠很好地測量10mL氣體產(chǎn)生的時(shí)間，但是存在兩個(gè)問題：第一，銅絲與鋅粒接觸會(huì)產(chǎn)生原電池，對(duì)反應(yīng)的速率產(chǎn)生影響，并可能使?jié)舛鹊挠绊懗蔀榇我蛩?。第二，銅絲如果能靈活地上下移動(dòng)則必然會(huì)對(duì)整個(gè)裝置的氣密性產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)成敗就在于整個(gè)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(jī)械強(qiáng)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(dòng)沒有一定的孔徑是無法實(shí)現(xiàn)的，而孔徑越大則氣密性越差。圖3的改進(jìn)裝置2雖然解決了氣密性的問題，但是在測量時(shí)不能解決實(shí)驗(yàn)2-1的兩個(gè)問題：（1）若從硫酸注入時(shí)進(jìn)行測量，主要是容器中的空氣同時(shí)會(huì)排人注射器，無法確定何時(shí)為開始收集H，的時(shí)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(yīng)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)才是相等的，處于室溫，隨著反應(yīng)進(jìn)行由于是放熱反應(yīng)，溫度必然會(huì)有所升高。當(dāng)然，短時(shí)間內(nèi)不同濃度的硫酸與鋅粒反應(yīng)溫度是否升高到有所差異的程度，需作實(shí)驗(yàn)探究才能得出結(jié)論。為此，設(shè)計(jì)了以下方案來比較該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后短時(shí)間內(nèi)溫度的變化差異。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)40mL4.0mol/L硫酸和40mL1.0mol/L硫酸分別與2.0g鋅粒的反應(yīng)體系，考察從開始反應(yīng)隨時(shí)間溫度的升高趨勢(shì)，以判斷多長時(shí)間內(nèi)注入硫酸可以忽略溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

實(shí)驗(yàn)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(yīng)的溫度變化，每5秒鐘讀取一次讀數(shù)。讀取3分鐘之內(nèi)的數(shù)據(jù)（室溫15.3℃），如表3所示。

實(shí)驗(yàn)儀器：Y型反應(yīng)器，導(dǎo)管，50mL量筒，水槽，秒表，托盤天平

實(shí)驗(yàn)藥品：4.0mol/L硫酸，1.0moL/L硫酸，鋅粒（粒徑1.5～2.0mm）

實(shí)驗(yàn)步驟：用紙槽先在Y型反應(yīng)器的一支管裝入1.0g鋅粒，再在Y型反應(yīng)器的另一支管小心倒入10mL4.0mol/L硫酸，用導(dǎo)氣管、水槽和裝滿水的50mL量筒組成裝置3，通過調(diào)整傾角迅速使硫酸與鋅?；旌希门潘瘹夥ㄊ占瘹怏w，同時(shí)用秒表測量收集10mL氣體所需時(shí)間。再改用1.0mol/L硫酸用相同裝置重復(fù)以上步驟。

在室溫27.6℃下進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)，得到以下數(shù)據(jù)（見表4）：

由以上數(shù)據(jù)明顯看出較濃的硫酸在同等條件下和鋅粒反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的平均速率較快。該改進(jìn)裝置儀器都是中學(xué)常見儀器，且連接簡單，氣密性容易保證，裝置反應(yīng)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(yīng)開始的平均速率，又能保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，順利克服了原教材實(shí)驗(yàn)2-1的諸多不足，教學(xué)效果良好。endprint