化学反应速率和活化能

化学反应速率和活化能——数据的表达与处理实验目的：1、了解浓度、温度和催化剂对反应速度的影响；2、测定过二硫酸铵与碘化钾反应的反应速率；3、学会计算反应级数、反应速率常数和反应的活化能。在水溶液中S2O82－与I－发生如下反应：S2O82－+3I－==2SO42－+I3－（慢）(1)设反应的速率方程可表示为：v=k·Cm(S2O82－)·Cn(I-)其中，v是反应速率，k是速率常数，C(S2O82－)、C(I-）是即时浓度，m、n之和为反应级数。实验原理通过实验能测定在单位时间内反应的平均速率，如果在一定时间Δt内S2O82－浓度的改变量为Δc(S2O82－)，则平均速率表示为：v平＝－当Δt→0时，v＝limv平则有v=k·Cm(s2o8)·Cn(I-)＝－Δt用秒表测量。222828(SO)(SO)(I)xyckcctΔt→0222828(SO)(SO)(I)xyckcct为了测定在一定时间Δt内S2O82－浓度的改变量，在将S2O82－与I－混合的同时，加入定量的Na2S2O3溶液和淀粉指示剂。这样在反应（1）进行的同时，也进行如下的反应：2S2O32－+I3－＝S4O62－+3I－（快）（2）反应（2）进行得很快，瞬间即可完成。而反应(1)却要比反应(2)慢得多。由反应(1)生成的I3－，立即与S2O32－反应，生成无色的S4O62－和I－。因此，在反应刚开始的一段时间内看不到I3－与淀粉所呈现的特有蓝色。当S2O32－耗尽时，由反应（1）继续生成的I3－很快与淀粉作用而呈现蓝色。由反应式(1)和(2)可以看出，S2O82－浓度减少量等于S2O32－浓度减少量的1/2。由于溶液呈现蓝色标志着S2O32－全部耗尽。所以，从反应开始到出现蓝色这段时间Δt内，S2O32－浓度的改变实际上就是S2O32－初始浓度。222282302311(SO)(SO)(SO)22ccc由于每份混合液中S2O32－的初始浓度都相同，因此Δc(S2O82－)也都是相同的。这样，只要记下从反应开始到溶液刚呈现蓝色所需的时间Δt，就可以求出初始反应速率。利用求得的反应速率，可计算出速率常数k和反应级数m、n,确定速率方程。实验用品：仪器：秒表、温度计（0℃~100℃）、烧杯、量筒、试管、玻璃棒、电炉、石棉网药品：(NH4)2S2O8（0.20mol·L－1）、KI（0.20mol·L－1）KNO3（0.20mol·L－1）、Na2S2O3（0.010mol·L－1）（NH4)2SO4（0.20mol·L－1）、Cu(NO3)2（0.020mol·L－1），淀粉溶液（0.4％）实验内容：（一）浓度对化学反应速率的影响在室温下，按表1中实验编号1的用量，分别用量筒量取KI，Na2S2O3和淀粉溶液于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀。再量取(NH4)2S2O8溶液，迅速加到盛有混合溶液的烧杯中，立刻用玻璃棒将溶液搅拌均匀，同时按动秒表计时。观察溶液，刚一出现蓝色立即停止计时。记录反应时间。用同样方法按表1的用量进行编号2、3、4、5的实验。20.0mL0.20mol·L-1KI溶液8.0mL0.010mol.L-1Na2S2O3溶液2.0mL0.4%淀粉溶液20.0mL0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液混合均匀立即计时不断搅动迅速①②④③①加20.0mL0.20mol·L-1KI溶液;②加8.0mL0.010mol·L-1Na2S2O3溶液;③加2.0mL0.4%淀粉溶液;④混合均匀;⑤20.0mL0.20mol·L-1（NH4）2S2O8溶液迅速倒入上述混合液中;⑥同时启动秒表，并不断搅动;⑦当溶液刚出现蓝色时，立即按停秒表，记录反应时间和温度;⑤为了使溶液的离子强度和总体积不变，在编号2~5的实验中，缺少的KI、(NH4)2S2O8的量分别用KNO3或(NH4)2SO4溶液补足。实验编号12345试剂用量V/mL0.20mol·L－1(NH4)2S2O820.010.05.020.020.00.20mol·L－1KI20.020.020.010.05.00.010mol·L－1Na2S2O38.08.08.08.08.00.4%淀粉溶液2.02.02.02.02.00.20mol·L－1KNO300010.015.00.20mol·L－1(NH4)SO4010.015.000混合液中反应物的起始浓度∕mol·L－1(NH4)2S2O8KINa2S2O3反应时间Δt/sS2O82－的浓度变化Δc(S2O82－)/mol·L－1反应速率v/mol·L-1·s-1表1浓度对反应速率的影响室温：①KI（10.0mL）、Na2S2O3（8.0mL）、KNO3（10mL）、淀粉溶液（2.0mL）混合于大烧杯(按表1实验4中的药品用量混合)②取20.0mL(NH4)2S2O8溶液于小烧杯③大、小烧杯同时冰水浴冷却至低于室温10℃时，迅速混合、计时并不断搅拌。④当溶液刚出现蓝色时，记录反应时间。（此实验编号为6）同样方法在热水中进行高于室温10℃的实验。此实验编号记为7。将此两次实验数据6、7和实验4的数据记入表2中进行比较。（二）温度对化学反应速率的影响表2温度对化学反应速率的影响实验编号647反应温度t/℃反应时间Δt/s反应速率v∕mol·L-1·s-1①KI（10.0mL）、Na2S2O3（8.0mL）、KNO3（10mL）、淀粉溶液（2.0mL）混合于150mL烧杯(按表1实验4中的药品用量混合)②加入2滴0.02mol·L-1Cu(NO3)2溶液，搅匀;③迅速加入20mL过二硫酸铵溶液，搅动、计时;④与表1中实验4的反应速率定性地比较，得出结论。（三）催化剂对反应速率的影响数据处理1、反应级数和反应速度常数的计算将反应速率表示式v=k·Cm(S2O82－)·Cn(I-)两边取对数：lgv=mlgC(S2O82－)+nlgC(I-)+lgk当C(I-)不变时（即实验1，2，3），以lgv对lgC(S2O82－)作图，可得一直线，斜率即为m。同理，当C(S2O82－)不变时（即实验1，4，5），以lgv对lgC(I-)作图，可求得n。此反应的级数则为m+n。将求得的m和n代v=k·Cm(S2O82－)·Cn(I-)即可求得反应速度常数k。将数据填入表3中。实验编号12345lgνlgcS2O82-lgcI-mn反应速率常数k∕mol-1·L·s-1lgν=mlgcS2O82-+nlgcI-+lgk表3反应级数和反应速率常数k的求算2、反应活化能的计算反应速率常数k与温度T之间的关系为：lgk=A-Ea/2.30RT式中Ea为反应的活化能，R为摩尔气体常数，T为热力学温度。测出不同温度时的k值，以lgk对1/T作图，可得一直线。由直线斜率(等于-Ea/2.30R)可求得反应的活化能Ea。注意：凡是作直线求斜率的数据处理，也可以用两点坐标通过计算求得。表4活化能Ea的求算实验编号647反应速率常数klgk1∕T活化能Ea本实验活化能测定值的误差不超过10%（该反应的活化能理论值为51.8kJ·moL-1）。注意事项：1、严格按照合理顺序混合药品；2、取用药品要用专用量筒，不可混用；3、加入(NH4)2S2O8溶液的同时记录时间，按动秒表计时；4、反应过程中要用玻璃棒不断搅拌；5、认真观察溶液，刚一出现蓝色立即停止计时，记录反应时间；6、填好表1中的有关内容；7、严格按照升温方法操作；8、填写表2的有关内容；1.反应液中为什么加入KNO3、(NH4)2SO4溶液？2.为什么要先加KI溶液再加（NH4)2S2O8溶液？3.(NH4)2S2O8缓慢加入KI等混合溶液中，对实验有何影响？4.催化剂Cu(NO3)2为何能够加快该化学反应的速率？思考题实验报告第一部分：实验目的、实验原理、实验用品第二部分：实验内容1、浓度对反应速率的影响（写清楚实验步骤，并填写表格）2、温度对反应速率的影响（同上）3、催化剂对反应速率的影响（写清楚实验步骤，并根据反应时间定性说明结论）第三部分：数据处理1、求m（计算或作图）；求n（计算或作图）；求m+n；2、求k，并填写表3；3、求活化能，并填写表4；第四部分：思考题（任选2题作答）