能否介绍一下"碘钟"(探测浓度对化学反应速率的影响)的实验

Question

如题所述

Answer 1

给你找了两段相关资料 希望对你有用第一段：化学动力学关系著化学反应速率测定及反应机构的探讨。化学反应机构之获得有赖於该反应之速率法则 (rate law or rate equation)，而该法则只能由反应速率之测定来获得，反应速率之测定对了解化学反应之重要性由此可知。

反应速率之测定经常使用起始速率法，即是在反应物混合后的瞬间测其瞬间的反应速率。对於传统方法测定之较慢反应而言，起始速率可用最初数秒或数分内之平均速率来估计之。

过硫酸根离子 (S2O82-)，在室温下以较缓的速率氧化碘离子，如 (1) 式：

2I- + 2S2O82- I2 + 2SO42- (1)

此反应之速率可以各反应物或生成物之浓度变化表示如下：

(2)

(2) 式中第一项说明了反应速率等於某段时间内 S2O82- 的减少量。由 (1) 式指出每两个碘离子与一个 S2O82- 作用，故 (2) 式中第二个等号表示反应速率与碘离子的关系，依此可类推其他等号关系。

速率法则是以数学式表示速率与各反应物间之关系。在上述反应中，反应速率与碘离子及过硫酸根离子浓度有关，故假设：

R=k[I-]m[S2O82-]n (3)

k ：速率常数

m、n ：反应级数

本反应速率的测定是用所谓的“时钟”反应。这是利用一个快速反应 (或一系列快速反应组合) ，以讯号 (通常用颜色指示剂) 来显示某一特别量之反应物 (在此为 S2O32-) 已消耗完毕。此类反应与生命钟相似，故称为“时钟反应”。本反应之“时钟”是依据下列事实而建立的：

1. S2O32- 与I2 之反应快速且完全。

I2 + 2S2O32- 2I- + S4O62- (4)

2. 在碘的指示剂 (淀粉) 存在下，只要有非常少的 I2 产生，溶液马上就显现出很深的蓝黑色。

因此碘离子与 S2O82- 反应时，一开始即加入已知的少量 S2O32- 与淀粉指示剂，反应进行时即产生 I2 ，但 I2 马上与 S2O32- 作用成 I- 而不使淀粉显色，当少量的 S2O32- 消耗完后，再产生之碘分子则会使溶液中的淀粉马上显现出蓝黑色。

从开始反应至溶液变色的时间差距为 t，而消耗掉 1mole S2O32- 时，则也同时消耗了 0.5 mole 的碘分子与 0.5mole 的 S2O82- ；即 S2O82- 改变量为 S2O32- 之起始浓度的一半时，溶液颜色变蓝。因此反应速率可表示为：

(5)

速率常数 k 及碘离子、 S2O82- 反应级数之计算与反应速率、反应浓度有关。实验的计算方法是以相对速率代替起始反应速率，在固定其他浓度，只改变其中一个浓度下，依比例方式消去相同因子，而求得 m 与 n 值。将 m 与 n 值分别代入反应式，可求得反应速率常数。

反应速率常数与温度有关，两者的定量关系可从 Arrhenius 的经验公式看出，更可进一步求出反应之活化能 Ea。

或
反应之 log k 与 1/T 关系应成为一直线，由其斜率可计算获得活化能。

已知 3I[-]+S2O8[2-]===I3[-]+2SO4[2-] 反应速率可以用I3[-]与淀粉显蓝色的时间t来度量
t越小，速率越快
20度时，实验如下表：
1 2 3 4 5
c(I[-]) 0.040 0.080 0.080 0.160 0.120
c(S2O8[2-]) 0.040 0.040 0.080 0.020 0.040
t 88 44 22 44 ?

3I[-] S2O8[2-]
0.040 ② 0.040 88
0.080 ① 0.040 ③ 44
0.080 0.080 ④ 22
0.160⑥ 0.020⑤ 44
0.120 0.040

①/②=2 44/88=1/2
④/③=2 22/44=1/2
⑥/① ×⑤/③ =1 44/44=1
由此可得出他们的关系0.120/① ×0.040/ ③=3/2 T5=44×2/3=88/3~29.3 第二段：碘钟实验(I)—反应级与初期反应速法
国台湾大学化学系,大学普通化学实验,第十二版,国台湾大学出版中 心:台,民国九十七. 版权所有,需转载请先徵得同意;疏之处,敬请指正. 台大化学系普化教学组魏景怡助教,2007 2 月 12 日.
一,目的:学习以初期反应速法决定过酸根子(S2O82-)与碘子(I-)反应之 反应级及速常. 二,实验技能:刻吸管之使用,反应速测定. 三,原: (一)反应速与反应级 化学反应速是以单位时间内反应物或产物之浓变化表示,以 aA + bB →cC 之反应为:
反应速 (rate) =
d[A] d[B] d[C] = = a dt b dt c dt
(1)
反应速与反应物浓之间的关系可用一个学式,称为速定式 ( rate
law )表示: rate = k[A]m[B]n (2) k 为速常 ( rate constant ) 在定温下为定值.对反应物 A 而言,反应级
为 m;反应物 B 而言,反应级为 n;总反应级为此二级之和 m+n.反应 级可为整,分或负,且并非由化学平衡方程式系决定,而是由反应 机构决定并经由实验测得.本次实验用初期反应速法决定反应速. (二)过酸根子与碘子反应之速定式与活化能测定 本实验欲使用初期反应速法测定过酸根子(S2O82-)与碘子(I-) 反应(式 3)之速定式(式 4) .反应速的测定是用在反应液内加入限 的代酸根(S2O32-)作为计时剂,其可与反应产物之一的碘分子(I2) 作用,如式 5 所示.S2O32-与 I2 反应的速极快,可以在混合的刹那间即完成, 所以反应式 3 所产生的 I2 可以刻被 S2O32-作用掉而再产生 I-.事实上可视为 有 S2O32-存在,I2 会存在,一旦 S2O32-消耗完时,I2 与 I-形成 I3-,I3-就会与 原先加於反应液中的淀粉指示剂生成黑色错合物;记此黑色出现的时间 (Δt) ,并由 S2O32-之用和它与 S2O82-之化学计关系(式 6) ,可知此段时
E19-1
间内 S2O82- 的浓变化,而测得平均速,如式 7 所示.
S2O82- + 2I → 2SO42- + I2
-
(3) (4) (5) (6)
rate = k[S2O82-]m[I-]n 2S2O3 + I2 → 2I + S4O6
Δ[S2O3 ] =2Δ[S2O8 ] Δ[S 2 O8 2 ] rate = = Δt (三)初期反应速法
222-
2-
1 2 Δ[S 2 O 3 ] 2 Δt
(7)
初期反应速法是改变某一种反应物的初浓,其它反应条件维持固定变 进一系的试验,以求取浓变化对反应初速的影响.反应初速的测 定,通常是在反应物混合之初,极短的一段时间内,测某反应物或产物浓 之变化作为反应初速的近似值,如式 8.
反应初速 =
Δ[A] Δ[B] Δ[C] = = b Δt c Δt a Δt
(8)
本实验分次将反应物 S2O82-与 I-之起始浓增为 2 倍,其它测定条件维持 变,如表 1 所示.其中试验 1,试验 2 及试验 3 之反应初速分别以 r1,r2 及
r3 表示,经由比较其反应初速可决定反应级 m 与 n,如式 9 与 10 所示:
r2 k( 2[S 2 O 8 ]1 ) m ([I ]1 ) n = = 2m 2 m n r1 k ([S 2 O 8 ]1 ) ([I ]1 ) r3 k([S 2 O 8 ]1 ) m (2[I ]1 ) n = = 2n 2 n m r1 k([S 2 O 8 ]1 ) ([I ]1 )
2 2
(9) (10)
表 1 初期反应速法各组试剂之浓及取 0.20 M 2% 0.0050 M 0.20 M 试验 NaCl Na2S2O3 NaI 淀粉 编号 (mL) (mL) (mL) (mL) 1 2.0 1.0 1.0 2.0 2 2.0 2.0 1.0 1.0 3 0 1.0 1.0 4.0
0.10 M K2SO4 (mL) 2.0 0 2.0
0.10 M K2S2O8 (mL) 2.0 4.0 2.0
四,仪器及材:刻吸管 ( 5 mL ),安全吸球,锥形瓶 (50 mL ),软木, 码表. 五,药品:0.20M 碘化钠 ( sodium iodide,NaI ),0.10M 过酸钾 ( potassium
persulfate,K2S2O8 ),0.20M 氯化钠 ( sodium chloride,NaCl ),0.10M 酸
钾 ( potassium sulfate,K2SO4 ),2% 淀粉溶液 (starch),0.0050M 代酸 钠 ( sodium thiosulfate,Na2S2O3 ).
E19-2
实验程: 洗净烘乾却 10 个 50 mL 锥 形瓶 依表 1 试验(1)准确 取定 NaI, NaCl, 开始计时并加 入定的最后 反应物 K2S2O8
starch, Na2S2O3, K2SO4
上软木并 混合摇动锥形 瓶 20 秒 ,实验步骤 步骤
静置观察溶液 出现黑色时 间(Δt)
重复试验(1)至变色时 间误差在 3 秒内.重 复试验(2),(3)
示范
1.
洗净,烘乾 10 个 50 mL 锥形瓶并放至室 温,标示之,以分别进如表 1 的三次计时 试验.
2.
使用定液体分注器取所需的 Na2S2O3, NaI,NaCl 及 2% 淀粉溶液置於锥形瓶中.
使用 5 mL 刻吸管取所需的 K2SO4 溶 液置於锥形瓶中.
3.
注:刻吸管应先充分洗净,再以少试 剂润洗次,已确定所取的的浓被残 的水稀释.
E19-3
4.
以 5 mL 刻 吸 管 准 确 取 0.10 M K2S2O8 ,当加入最后一个反应物 0.10 M K2S2O8 时,应同时开始记时间并尽速将试 剂完全加入反应瓶中,以软木住瓶口且 用手摇动锥形瓶 20 秒,溶液混合均匀后静 置. 注:K2S2O8 为最后一个加入的试剂,应尽速 全部加入并同步计时.每次操作的方式应固 定,以提高实验之精确性,摇动时注意勿使 溶液外溅! 溶液开始变色,即停止计时,并记反应 时间.(此时溶液中之计时剂 Na2S2O3 用尽, I3-与淀粉指示剂形成黑色错合物) 注:整个溶液应是同时突然变色,非如 此,表示溶液没有充分混合.
5.
6.
重覆上述三种同初浓的计时试验.同 一测定条件之二重覆试验,其变色时间差 超过三秒,则需重做一次.
7.
计算求出速定式中的 m,n 及 k 值.并 将教师所给的指定变色时间(Δt),代入所得 速定式,并设计一组式样取.实际取 试剂,测变色时间是否正确. 注:设计取可先将一种反应物之取体积 固定,仅变化另一反应物之体积以简化计 算. 碘钟交响曲:准备一组试剂,与其他同学一 起,配合交响曲之音开始反应,观察各组 自设计之反应试剂,是否能准确地配合节 奏而变色.
8.
E19-4
给最佳谢谢 有问题可以追问