實驗七　化學反應速率和活化能的測定

【實驗目的】

1.了解濃度、溫度和催化劑對反應速率的影響。

2.測定過二硫酸銨與碘化鉀反應的反應速率，并計算反應級數、反應速率常數和反應活化能。

3.練習在水浴中保持恒溫的操作。

4.練習用作圖法處理實驗數據。

【實驗原理】

過二硫酸銨與碘化鉀在水溶液中的離子反應方程式為：

根據速率方程，反應速率v可表示為：

式中，v為瞬時速率；α+β為總反應級數。

若平均速率表示為，則

即當Δt較小時，平均速率近似等于反應的瞬時速率v。

為了能測得反應在Δt時間內濃度的改變值，需要在混合（NH4）2S2O8和KI溶液的同時，注入一定體積的濃度已知的Na2S2O3和淀粉溶液，則上述反應的同時還進行下列反應：

該反應十分快，因此在反應開始階段看不到藍色，一旦Na2S2O3耗盡，溶液就會呈現藍色，據反應物的物質的量的關系可得：

通過測定從混合到呈現藍色的時間Δt和Na2S2O3的濃度（即），便可得該反應的平均速率，該平均速率近似等于反應的起始瞬時速率v。

測定反應級數α、β的方法如下：因，故

保持I-的濃度不變，只改變的濃度，則常數，通過測定兩個不同濃度的起始瞬時速率v，便可計算反應級數α，同理保持的濃度不變，可計算反應級數β。

測定活化能Ea的方法如下：已知反應級數α，β，可通過求得反應速率常數k，由阿侖尼烏斯公式可知lgk=-+常數，測出不同溫度下反應的反應速率常數k，以lgk為縱坐標，為橫坐標作圖，得一直線，其斜率為，即可算出活化能Ea。

【儀器與試劑】

1.儀器　量筒、燒杯、秒表、溫度計。

2.試劑　KI（0.20mol·L-1）、Na2S2O3（0.010mol·L-1）、淀粉溶液（0.2%）、（NH4）2S2O8（0.20mol·L-1）、KNO3（0.20mol·L-1）、（NH4）2SO4（0.20mol·L-1）、（0.02mol·L-1）。

【實驗步驟】

1.實驗濃度對化學反應速率的影響

在室溫下，取3個量筒分別量取20mL 0.20mol·L-1KI溶液、8.0mL 0.010mol·L-1 Na2S2O3溶液和 4.0mL 0.2%淀粉溶液，均加到150mL燒杯中，混合均勻。再用另一個量筒取 20mL 0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液，快速加到燒杯中，同時開動秒表，并不斷攪拌。當溶液剛出現藍色時，立即停秒表，記下時間及室溫。用同樣的方法按照表3-4中的用量進行另外4次實驗。為了使每次實驗中的溶液的離子強度和總體積保持不變，不足的量分別用0.20mol·L-1KNO3溶液和0.20mol·L-1（NH4）2SO4溶液補足。

用表3-4中實驗Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的數據作圖求出α，用實驗Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ的數據作圖求出β，然后再計算出反應速率常數k。

2.溫度對化學反應速率的影響

按表3-4實驗Ⅳ中的用量，把 KI、Na2S2O3、KNO3和淀粉的混合溶液加到150mL燒杯中，把（NH4）2S2O8溶液加到另一個燒杯中，并將兩個燒杯放入冰水浴中冷卻。等燒杯中的溶液都冷到0℃時，把（NH4）2S2O8溶液加到 KI混合溶液中，同時開動秒表，并不斷攪拌，當溶液剛出現藍色時，記下反應時間。

在10℃、20℃和30℃的條件下，重復上述實驗。將結果填于表3-5中。用表3-5的數據，以lgk對1/T作圖，求出反應的活化能。

3.催化劑對反應速率的影響　

在150mL燒杯中加入10mL 0.20mol·L-1 KI溶液、4.0mL淀粉溶液、8.0mL 0.010mol·L-1 Na2S2O3 溶液和 10mL 0.20mol·L-1 KNO3 溶液，再加入 1 滴0.02mol·L-1 Cu（NO3）2溶液。攪拌均勻，然后迅速加入20mL 0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液，攪拌，記下反應時間，并與前面不加催化劑的實驗進行比較。

【數據處理與結論】

通過作圖計算反應級數α、β、α+β以及反應速率常數k和活化能Ea。

【思考題】

1.根據化學反應方程式，是否能確定反應級數？用本實驗的結果加以說明。

2.若不用S2，而用I-或的濃度變化來表示反應速率，則反應速率常數k是否一樣？

3.實驗室中為什么可以由溶液中出現藍色的時間長短來計算反應的速率？反應溶液出現藍色后，反應是否就終止了？

4.用阿侖尼烏斯公式計算反應的活化能，并與作圖法得到的值進行比較。

5.下列操作對實驗結果有何影響？

（1）取用七種試劑溶液前，多用滴管未洗干凈。

（2）先加（NH4）2S2O8溶液，最后加KI溶液。

（3）沒有迅速連續加入（NH4）2S2O8溶液。

（4）（NH4）2S2O8的用量過多或過少。