反应速率常数与活化能

大学化学结课论文反应速率常数与活化能院（系）专业学生学号班号指导教师日期哈尔滨工业大学2014年12月反应速率常数与活化能摘要:反应速率常数与活化能是大学化学的一个重要部分，反应速率常数与活化能的测定的实验通过对𝐻202和酸性KI的反应的研究与计算，得到了反应的反应速率常数和活化能。本文主要对此实验进行分析，并对反应速率常数和活化能进行简要介绍。关键词：活化能；反应速率；实验。DeterminationofthereactionrateconstantandactivationenergyAbstract:thereactionrateconstantandactivationenergyisanimportantpartofcollegechemistry,andthedeterminationofreactionrateconstantandactivationenergyofexperimentthroughreactionofH_20_2andacidicKIresearchandcalculation,getthereactionrateconstantandactivationenergyofthereaction.Inthispaper,thisexperimentisanalyzed,andthereactionrateconstantandactivationenergyarebrieflyintroduced.Keywords:activationenergy;Thereactionrate.Theexperiment.反应速率常数与活化能的测定的实验，利用𝐻202和酸性KI的反应，通过一系列的实验观察与计算，研究了反应速率的影响因素，计算得到了反应速率常数与活化能。一、实验简介1、实验目的：1）学会测定化学反应速率常数和活化能;2）了解温度对反应速率的影响。2、实验原理：反应方程式1)𝐼−+𝐻202→I𝑂−+𝐻202)𝐼−+𝐼𝑂−+2𝐻+→𝐼2+𝐻203)𝐼2+2𝑆2𝑂32−→2𝐼−+𝑆4𝑂62−4)𝐼2+淀粉→蓝色速率常数表达式：k=2.303𝑡lg𝑐0𝑐𝑡式中𝑐0:𝐻202在时间t=0时的浓度；𝑐𝑡：𝐻202在时间t时的浓度。利用阿累尼乌斯公式：lg𝑘2𝑘1=𝐸2.303𝑅(1𝑇1−1𝑇2)式中𝑘1、𝑘2——在温度𝑇1、𝑇2时的反应速率常数；E——反应的活化能；R——理想气体常数。3、实验过程1）酸性碘化钾溶液的配制取250ml容量瓶，加入30ml0.4mol∙𝐿−1KI溶液，加水到容量瓶体积的2/3处后，再加入15ml3mol∙𝐿−1𝐻2𝑆𝑂4及3ml淀粉溶液，加水稀释到刻度，摇匀。将全部溶液倒入1000ml的烧杯内。2）室温时𝐻202反应速率常数的测定在装有反应液的烧杯中放入一磁子，将烧杯放在磁力搅拌器上搅拌。用注射器取1ml0.1000mol∙𝐿−1N𝑎2𝑆2𝑂3溶液注入烧杯中，然后用移液管吸取10ml0.1000mol∙𝐿−1𝐻202溶液加入此烧杯中，反应开始进行。当溶液第一次出现蓝色时，随即启动电子秒表，并立即加入1mlN𝑎2𝑆2𝑂3溶液（注意：按表和注入要同时进行）。当蓝色第二次出现时，利用电子秒表的取样功能，记录时间数据，同时再加入1mlN𝑎2𝑆2𝑂3溶液，以此类似，每当蓝色出现时，均计时并加入1mlN𝑎2𝑆2𝑂3溶液，直到记录5次时间数据为止。3）高于室温10摄氏度时反应速率常数的测定同前配制溶液。将盛有反应液的烧杯放到恒温水浴上加热，当加热到高于原始溶液温度10摄氏度时，将烧杯移至磁力搅拌器上搅拌。由于在高温时，反应速率很快，反应时间很短，而所用反应溶液又较多，所以在测定过程中，温度下降不多，可以满足测量精度。4、实验结果第一次第二次第三次第四次第五次时间/s130264447670950时间/s6113823235150755.8647.8948.4247.7346.3649.25平均由实验数据可以看出，温度越高，反应速率越快。而且活化能不是一个定值，测量过程中也存在误差，测量结果必然存在一定的误差。二、理论简介与分析1、反应速率常数反应速率常数即化学反应进行的快慢。用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量来表示。可通过实验测定。除了反应物的性质以外，浓度、温度和催化剂也是影响反应速率的重要因素。气体还有压强。气体反应的快慢还与压力有关。增加反应物的浓度，即增加了单位体积内活化分子的数目，从而增加了单位时间内反应物分子有效碰撞的次数，导致反应速率加快。提高反应温度，即增加了活化分子的百分数，也增加了单位时间内反应物分子有效碰撞的次数，导致反应速率加快。使用正催化剂，改变了反应历程，降低了反应所需的活化能。2、活化能活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子所需的最小能量。以酶和底物为例，二者自由状态下的势能与二者相结合形成的活化分子的势能之差就是反应所需的活化能，因此不是说活化能存在于细胞中，而是细胞中的某些能量为反应提供了所需的活化能。化学反应速率与其活化能的大小密切相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。酶通过降低活化能（实际上是通过改变反应途径的方式降低活化能）来促进一些原本很慢的生化反应得以快速进行。3、过氧化氢与酸性碘化钾反应的动力学𝐻202与酸性KI反应的化学方程式：𝐻2𝑆𝑂4+𝐾𝐼+𝐻202=2𝐻2O+𝐼2+𝐾2𝑆𝑂4离子方程式：2𝐻++2𝐼−+𝐻202→2𝐻2O+𝐼2在KI的酸性溶液中，加入一定量的淀粉溶液和N𝑎2𝑆2𝑂3标准溶液，然后一次加入一定量的𝐻202溶液。有如下反应：1)𝐼−+𝐻202→I𝑂−+𝐻20反应很慢2)𝐼−+𝐼𝑂−+2𝐻+→𝐼2+𝐻20反应很快3)𝐼2+2𝑆2𝑂32−→2𝐼−+𝑆4𝑂62−反应很快4)𝐼2+淀粉→蓝色反应很快反应速率可以写成−𝑑[𝐻202]𝑑𝑡=𝑘′[𝐻202][𝐼−]=𝑘[𝐻202]其中k=𝑘′（𝐼−），上式积分得−∫𝑑𝑐c𝑐𝑡𝑐0=𝑘∫𝑑𝑡𝑡0−ln𝑐𝑡𝑐0=kt2.303lg𝑐𝑡𝑐0=𝑘𝑡即：k=2.303𝑡lg𝑐0𝑐𝑡再根据阿累尼乌斯公式lg𝑘2𝑘1=𝐸2.303𝑅(1𝑇1−1𝑇2)，即可求出活化能。三、实验误差分析1、温度的影响温度会对化学反应的速率产生影响，在这次实验中，第二组高于常温10摄氏度，在测量过程中处于室温条件下，反应溶液的温度会不断下降，这会对实验产生影响，但影响过小可以忽略不计。温度本身对化学反应速率也有影响，一般情况是温度越高，反应速率越快。温度越高，分子运动越剧烈，分子碰撞机会越多，越容易发生反应，反应速率越快。2、活化能本身的测定活化能不是一个定值，测量过程中也存在误差，测量结果必然存在一定的误差。但在精度要求不高的情况下，这种实验方法求出的活化能相对来讲还是比较精确的。四、反应速率常数与活化能研究的意义使反应速率加快.在化工生产中，常控制反应条件来加快反应速率，以增加产量.有时也要采取减慢反应速率的措施，以延长产品的使用时间。化学反应速率与其活化能的大小密切相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。酶通过降低活化能（实际上是通过改变反应途径的方式降低活化能）来促进一些原本很慢的生化反应得以快速进行。活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子所需的最小能量。阿仑尼乌斯发现化学反应的速度常数k和绝对温度T之间有𝑑(𝑙𝑛𝑘)𝑑𝑡=𝐸𝑅𝑇2的关系。这里的E就是活化能。假若把上式积分得到lnk=lnA−𝐸𝑅𝑇，从这个公式可知，在各种温度下求得k值，把lnk对1/T作图（这图称为阿累尼乌斯图）就得到直线，由于直线的斜率是-E/R，因而可求得E值。活化能的物理意义一般认为是这样：从原反应体系到产物的中间阶段存在一个过渡状态，这个过渡状态和原系统的能量差就是活化能E，而且热能RT如不大于E，反应就不能进行。也就是原系统和生成物系统之间存在着能垒，其高度相当于活化能。其后埃林从过渡状态（也叫做活性络合物）和原系统之间存在着近似的平衡出发，对速度常数K导出了如下的关系：K=k𝐾𝑇ℎ𝑒−𝐸𝑎𝑅𝑇=k𝐾𝑇ℎ𝑒∆𝑆𝑅𝑒−∆𝐻𝑅𝑇k为通透系数，K是波尔兹曼常数，h是普朗克常数，𝐸𝑎、∆𝑆、∆𝐻分别为活化自由能、活化熵和活化焓。而且活化自由能与活化焓大致相等。酶促反应主要就是由于降低了活化自由能。活化能如同平衡常数一样是一个非常重要的反应特征参数。但是,由于它的定义涉及到分子的平均能量,微观状态的宏观处理方法,正象被函数切一样,其木身很难给出明确的物理意义,也很难从理论上得到普遍的定律和精确的计算公式,以至造成概念说法多种多样。不过,讨于我们来说,从键能、反应热蒸气压、嫡变等等实验测定反应活化能,搞清其密响因素和变化规律,倒是更感兴趣和有着实际意义。因此,从某种意义来说,目前活化能的定义和概念,正如活化络合物一样是一个过渡性的定义,随着量子化学，分子结构研究的深入,实验手段的加强,活化能将越来越被人们所认识,也一定会得到统一的命名和概念,找到精确的普遍适用的计算方法。五、参考文献[1]胡立江、尤宏、郝素娥.工科大学化学实验（第4版）哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2013.09[2]强亮生，徐崇泉.工科大学化学（第二版）.北京：高等教育出版社.2012.12[3]山东农业大学,江西农业大学,江苏农学院,天津农学院合编.普通化学.山东大学出版社出版,1988.159～183[4]张锡辉,蒋鉴平,魏元训编.无机化学基础(上册).高等教育出版社出版,1988.434～435[5]游承干,顾弁如.关于化学平衡常数的探讨.四川农业大学学报,1997,15(3):372～374