針對化學反應速率實驗中存在的化学一些問題,譬如試劑易變質,速率实验索尝试產生廢液多,体系體積量取誤差大等情況,化学選擇兩種體係進行實驗探索。速率实验索尝试研究發現,体系溫度與催化劑對反應速率影響極大,化学實驗過程中須嚴格控製催化劑加入量,速率实验索尝试恒定實驗溫度至高於或低於室溫10℃左右即可。体系推薦了一種實驗效果良好的化学反應體係,結果表明,速率实验索尝试該體係反應速率常數的体系相對平均偏差僅為1.45%,活化能的化学相對偏差僅為1.52%,且試劑消耗量低,速率实验索尝试產生含碘廢液少,体系符合實驗室綠色化要求。
化學反應速率與化學平衡實驗是高等院校最常開設的無機實驗之一,該實驗內容經典、操作基本、所占學時適宜,在我校理工科專業中被廣泛采用。經過多年的教學實踐發現,該實驗存在以下問題,需要逐一解決。其一,原實驗曾采用KIO3與Na HSO3實驗體係,因KIO3試劑的成本日益高漲轉而以(NH4)2S2O8與KI替代。更換成(NH4)2S2O8體係後實驗成本得到降低,但該試劑配成溶液後在常溫下分解比較嚴重,濃度在0.20mol·L-1時隻能保存2~3天,為保障實驗效果經常需要現用現配。在實驗室高負荷運轉狀態下,準備實驗時極易出現不協調狀況並會造成試劑的浪費。同時,在化學反應速率實驗中試劑用量較大,產生含碘廢液多,不符合實驗室綠色化要求,需要對實驗體係作進一步改進並力求減少試劑用量。其二,溶液的量取通常采用量筒操作,某些學生為趕速度會忽略規範操作,導致溶液體積誤差較大,使得實驗數據測量不準確。其三,實驗過程中以玻璃棒攪拌溶液,玻璃棒與燒杯壁會發生持續碰撞,致使燒杯磨損嚴重。
針對以上問題,總結前人經驗,教學團隊選擇在常溫下以比較穩定的K2S2O8和Fe Cl3溶液為氧化劑,分別與其他試劑組成兩種體係進行實驗效果對比,以期找出更合適的實驗體係。
化學反應速率反映的是單位時間內反應物的濃度變化值,它取決於反應物的性質、濃度,反應溫度及催化劑等因素。在水溶液中,K2S2O8與KI發生的反應和(NH4)2S2O8與KI發生的反應相似,此處不再贅述。而對於Fe Cl3與KI的反應方程式可表示為:
該反應的反應速率與反應物濃度的關係為:
式(2)中:Δc(Fe3+)為Fe3+在Δt時間內的濃度改變值;c(Fe3+)、c(I-)為兩種離子的起始濃度;k為該反應的反應速率常數;v是反應的平均速率。
式(2)表示的是該反應在開始一段時間內的平均反應速率,可近似看作該反應的起始速率。為測定在一段時間Δt內的Δv(Fe3+),在將KI與Fe Cl3溶液相混合的同時,體係中加入了一定體積已知濃度的Na2S2O3和澱粉溶液,這樣在反應(1)進行的同時,體係中還進行著如下反應:
該反應的反應速率遠遠大於反應(1),當反應(1)中生成I3-時會立即被S2O32-消耗掉,轉而生成無色的S4O62-與I-。當Na2S2O3反應完全,反應(1)生成的微量I3-立即與澱粉發生作用,使溶液呈現藍色,並隨I3-離子的增多溶液藍色逐漸加深。由兩個反應式的計量關係可以看出,Fe Cl3與Na2S2O3為1∶1的計量關係,即:
當溶液呈現藍色時S2O32-已全部耗盡,所以Δc(S2O32-)即S2O32-的起始濃度。每次隻改變混合溶液中的反應物之一Fe Cl3或KI的濃度,保持Na2S2O3的起始濃度相同,即每組溶液到藍色出現時的Δc(S2O32-)相同,準確記錄溶液從反應開始到溶液出現藍色所用的時間Δt,則Fe Cl3與KI的反應速率可表示為:
進而可計算出該反應的反應級數、反應速率常數和活化能。當保持c(I-)不變時,Fe Cl3的反應級數為:
當保持c(Fe3+)不變時,KI的反應級數為:
從而反應速率常數為:
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