大学无机化学实验“化学反应速率和活化能的测定”的改进

摘要:化学反应速度与活化能的测定实验是通过水溶液中的过二硫酸铵和碘化钾这一慢速反应,在不同浓度、温度下反应速率的差异去求速率常数,反应级数及活化能,让学生掌握化学反应动力学基础知识、学会数据的记录及处理。通过对该实验试剂用量的调整、操作方法的改进以及实验结果的比较分析,显示改进后的实验,学生更易操作,对数据的测定与处理更方便,试剂用量少,增强了学生对学习实验的兴趣.提高实验操作技能。

关键词:无机化学实验;反应速度;反应级数;活化能;实验改进

中图分类号:G642.423　文献标识码:B　文章编号:1009-8631(2010)02-0168-02

“化学反应速率与活化能的测定”是本、专科化学专业无机化学、基础化学实验中的一个必做实验。我校多年来采用北京师范大学无机化学教研室主编的《无机化学实验》和蒋碧如等编的《无机化学实验》教材进行实验教学。按这两套《无机化学实验》教材进行实验,学生做实验时试剂浪费严重,仪器损坏多,并有一定污染。仪器使用多,操作不便,特别是温度对反应速率的影响实验,学生实验的结果与文献值相差较大,易造成学生失去实验兴趣与信心。虽然杨金香等主张实验微型化,王立平、李淑新等对微型实验进行过初步探讨,提出有益的实验教学经验,但用量过小也导致误差较大。经过几年的摸索及实践。我对该实验的试剂用量及操作方法进行了改进,特别是应用在我院化学专业07、08、09级学生的无机化学实验教学,既达到环保目的又方便操作易做,教学效果良好。比照如下:

1、实验方法的改进及比较

1.1　浓度对反应速率的影响

在室温条件下,用吸量管分别量8.0 mL 0.20 tool・L-1KI溶液、3.0 mL 0.01tool・L-1Na2S202溶液和1.0 mL 0,20 g・dm-3淀粉溶液,加入100mL、锥形瓶中,混合均匀。然后用另一吸量管取8.0mL 0.2tool・L-1(NH4)2S2O8溶液,迅速加入上述混合液中,同时启动秒表,并不断摇动,注意观察。当溶液刚出现蓝色时,立即按停秒表,记录反应时间和室温,用同样办法重复实验编号4-5号,计算相应的实验数据贴人表1。

从表1中的实验编号1、2、3的数据,以lgu对l g[S2O8]作图得到一条直线(图1),同理利用编号1、4、5的数据,以lg u对lg[I-]作图得到一条直线(图2)。这两条直线斜率分别m≈1,n≈1,此乃所求的反应级数m+n=2。如图所示:

从图示可看出,改进后实验完全符合所求的反应级数m＋n＝2的实验要求。且学生做实验结果成功率达100%,比教材(见表2)的数据处理及操作更简便,特别是节约试剂近三分之一。

1.2　温度对反应速率的影响

按表l改进实验中试剂用量编号4进行实验,把KI、Na2S2O3、KNO3和淀粉溶液加到100 mL锥形瓶中,并把(NH4)2S2O8溶液加在另1支试管或50 mL锥形瓶里,然后将它们放入盛有比室温低10K的冰水浴中,预冷2-3分钟使溶液温度达恒定,测量温度。记下温度后,迅速将(NH4)2S2O4溶液加到KI等的混合液中,立即记时,并摇动瓶子,当溶液刚出现蓝色时迅速按停秒表,记录时间和温度。用同样的方法将反应物的温度分别加热到高于室温20K、30K、40K,用HH・s型恒温仪恒温,测定反应所需的时间和温度,实验数据及结果如表3。

利用实验数据(表3数据)及结果计算出lg k,再以lg k对1/T作图得出一条直线。如图3所示:

按Arrhenius公式计算其活化能的平均值。由直线斜率等于－Ea/2.30R可求反应的活化能(Ea＝2.755×19.147＝52.766kJ・mol-1),与文献值Ea＝51.8kJ・mol-1相差很小。测定活化能按教材[2]取五个点的办法比教材[1]只取三个点的办法测定结果误差小做材允许10%,改进后误差在1.8%以下)。教材[1-2]中的试剂用量实验及结果如表4:

2、比较结果与结论

学生实验以50人一个班级,2人一组合作进行实验,按教材的试剂用量,与实验改进后的试剂用量,统计并比较如下(见表5):

通过上述数据和改进实验结果比较可看出改进后的实验有如下优点:

2.1　试剂与仪器用量少,实验时间缩短了。诚然,实验时间过短(不易测准时间)也会造成测定误差大,但本实验方法经多次试验,没有因实验时间缩短影响测定结果。

2.2　经济实惠。对比表1和表2,及表5可看出改进后,实验所用试剂比教材的试剂用量少近三分之二,节省试剂。改进后的实验经济适用,节约实验成本。同时降低污染,符合环保原则。

2.3　以试剂瓶配吸量管共用代替各组学生分别用的量筒,使用仪器数量少(经统计改进实验前,实验仪器总用量达518件次,改进实验后只有241件次),取量试剂方便准确,不会造成混乱和取量不准确导致的误差,用100 mL锥形瓶(为避免碘挥发,可用一橡皮塞塞住瓶口)代替常规实验中的烧杯和玻璃棒。易摇动搅拌,操作简单,避免玻璃棒搅拌的麻烦,减少仪器破损,比教材的方法更简便。

2.4　实验操作简单,结果准确。采用了HH・s型恒温仪(北京长安科学仪器厂)来恒温,温度便于控制。用100mL锥形瓶代替常规实验中的烧杯和玻璃棒,实验时便于学生操作;改进实验后,所取溶液数据都是整数。只用吸量管取试剂,取量方便准确,又便于计算,且实验结果与文献数据相差很小,增加学生实验兴趣及自信心。特别是在温度对反应速率的影响实验中,仍按文献取五个点来作图求活化能的办法。避免了文献只取三个数据作图不准的导致实验结果与文献值相差较大,易造成学生心理上觉得实验难做,挫伤学生在以后实验中自信心不足的问题。

总之,经改进后的实验,试剂用量少,操作便捷,实验数据易于处理,达到实验微型化,环保化;通过实验结果的验证,增强了学生学习化学实验自信心。