化学反应速率与活化能的测定

《工程化学实验》教案化学反应速率与活化能的测定实验目的1．了解浓度、温度及催化剂对化学反应速率的影响。2．测定（NH4）2S2O8与KI反应的速率、反应级数、速率系数和反应的活化能。实验原理（NH4）2S2O8和KI在水溶液中发生如下反应：S2O82-(aq)+3I-(aq)＝2SO42-(aq)+I3-(aq)（1）这个反应的平均反应速率为v=-228(SO)ct=228(SO)(I)kcc式中：v──反应的平均反应速率；228(SO)c──t时间内228SO的浓度变化；228(SO)c，(I)c──228SO，I的起始浓度；k──该反应的速率系数；,──反应物228SO，I的反应级数，为该反应的总级数。为了测出在一定时间（t）内S2O82-的浓度变化，在混合(NH4)2S2O8和KI溶液的同时，加入一定体积的已知浓度的Na2S2O3溶液和淀粉，这样在反应（1）进行的同时，还有以下反应发生：2S2O32-(aq)+I3－(aq)══S4O62-(aq)+3I-(aq)（2）由于反应（2）的速率比反应（1）的大得多，由反应（1）生成的I3－会立即与S2O32-反应生成无色的S4O62-和I-。这就是说，在反应开始的一段时间内，溶液呈无色，但当Na2S2O3一旦耗尽，由反应（1）生成的微量I3－就会立即与淀粉作用，使溶液呈蓝色。由反应（1）和（2）的关系可以看出，每消耗1molS2O82-就要消耗2mol的S2O32-，即c（S2O82-）=12c（S2O32-）由于在t时间内，S2O32-已全部耗尽，所以c（S2O32-）实际上就是反应开始时Na2S2O3的浓度，即－c（S2O32-）=0c（S2O32-）这里的0c（S2O32-）为Na2S2O3的起始浓度。在本实验中，由于每份混合液中Na2S2O3的起始浓度都相同，因而c（S2O32-）也是相同的，这样，只要记下从反应开始到出现蓝色所需要的时间（t），就可以算出一定温度下该反应的平均反应速率：v=228()cSOt=2232cSOt=02232cSOt按照初始速率法，从不同浓度下测得的反应速率，即可求出该反应的反应级数α和β，进而求得反应的总级数（α+β），再由228vkcSOcI求出反应的速率系数k。由Arrhenius方程得lg2.303aEkART式中：aE──反应的活化能；R──摩尔气体常数，R=8.314J·mol-1·K-1;T──热力学温度求出不同温度时的k值后，以lgk对1T作图，可得一直线，由直线的斜率2.303aER可求得反应的活化能aE。Cu2+可以加快(NH4)2S2O8与KI反应的速率，Cu2+的加入量不同，加快的反应速率也不同。仪器、药品及材料仪器：恒温水浴一台，烧杯（50ml）5个（标上1、2、3、4、5），量筒[10ml4个，分别贴上0.2mol·L-1(NH4)2S2O8，0.2mol·L-1KI，0.2mol·L-1KNO3，0.2mol·L-1(NH4)2SO4；5ml2个，分别贴上0.05mol·L-1Na2S2O3，0.2％淀粉]，秒表1块，玻璃棒或电磁搅拌器。药品：(NH4)2S2O8（0.2mol·L-1），KI（0.2mol·L-1），Na2S2O3（0.05mol·L-1）,KNO3（0.2mol·L-1）,(NH4)2SO4（0.2mol·L-1）,淀粉溶液（0.2％），Cu(NO3)2（0.02mol·L-1）。实验步骤1.浓度对反应速率的影响，求反应级数、速率系数在室温下，按表1所列各反应物用量，用量筒准确量取各各试剂，除0.2mol·L-1(NH4)2S2O8溶液外，其余各试剂均可按用量混合在各编号烧杯中，当加入0.2mol·L-1(NH4)2S2O8溶液时，立即计时，并把溶液混合均匀（用玻璃棒搅拌或把烧杯放在电磁搅拌器上搅拌），等溶液变蓝时停止计时，记下时间t和室温。计算每次实验的反应速率v，并填入表1中。表1浓度对反应速率的影响室温：15℃实验编号12345V[(NH4)2S2O8]/mL1052.51010V(KI)/mL10101052.5V(Na2S2O3)/mL33333V(KNO3)/mL57.5V[(NH4)2SO4]/mL57.5V(淀粉溶液)/mL11111C0(S2O82-)/(mol·L-1)C0(I-)/(mol·L-1)C0(S2O32-)/(mol·L-1)△t/s△C(S2O32-)/(mol·L-1)v/（mol·L-1·s-1）k/[(mol·L-1)1-α-β·s-1]C0α（S2O82-）C0β（I-）用表1中实验1、2、3的数据，依据初始速率法求α；用实验1、4、5的数据，求出β，再求出（α+β）；再由公式228vkcSOcI求出各实验的k，并把计算结果填入表1中。2.温度对反应速率的影响，求活化能按表1中实验1的试剂用量分别在高于室温5℃、10℃和15℃的温度下进行实验。这样就可测得这三个温度下的反应时间，并计算三个温度下的反应速率及速率系数，把数据和实验结果填入表2中。表2温度对反应速率的影响实验编号T/K△t/sv/(mol·L-1·s-1)k/[(mol·L-1)1-α-β·s-1]lg｛k｝1T/（K-1）1678利用表2中各次实验的k和T，作lgk-1T图，求出直线的斜率，进而求出反应（1）的活化能aE。3.催化剂对反应速率的影响在室温下，按表1中实验1的试剂用量，再分别加入1滴、5滴、10滴0.02mol·L-1Cu(NO3)2溶液[为使总体积和离子强度一致，不足10滴的用0.2mol·L-1(NH4)2SO4溶液补充]。表3催化剂对反应速率的影响实验编号91011加入Cu(NO3)2溶液(0.02mol·L-1)的滴数1510反应时间ts反应速率v/(mol·L-1·s-1)将表3中的反应速率与表1中的进行比较，你能得出什么结论？思考题1.若用I-（或I3-）的浓度变化来表示该反应的速率，则v和k是否和用S2O82-的浓度变化表示的一样？2.实验中当蓝色出现后，反应是否就终止了？