碘钟反应- zh

碘钟反应

一、实验目的

1．掌握“碘钟”反应的原理。学会运用“碘钟”反应设计动力学实验的方法。 2．测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数．反应级数和反应活化能.

二、实验原理

在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应：

2?S2O82??3I??2SO4?I3? (1)

为了能够测定一定时间（Δt）内S2O82-浓度的变化量，在混合过二硫酸铵、碘化钾溶液

的同时加入一定体积已知浓度并含有淀粉（指示剂）的Na2S2O3 溶液，在式（1）进行的同时，有下列反应进行：

2S2O32??I3??S4O62??3I? (2)

反应（2）进行得非常快，而反应（1）却缓慢得多，故反应（1）生成的I3 -立即与S2O32-作用生成无色的S4O62-和I?，因此反应开始一段时间内溶液无颜色变化，但当Na2S2O3耗尽，反应（1）生成的微量碘很快与淀粉作用，而使溶液呈现特征性的蓝色。由于此时（即Δt） S2O32-全部耗尽，所以S2O82-的浓度变化相当于全部用于消耗Na2S2O3。由上可知，控制在每个反应中硫代硫酸钠的物质的量均相同，这样从反应开始到出现蓝色的这段时间可作为反应初速的计量。由于这一反应能显示自身反应进程，故称为“碘钟”反应。

1、反应级数和速率常数的确定

当反应温度和离子强度相同时，(1)式的反应速率方程可写为：

d[S2O82?]??k[S2O82?]m[I?]n (3)

dt在测定反应级数的方法中，反应初速法能避免反应产物的干扰求的反应物的真实级数。 如果选择一系列初始条件，测得对应于析出碘量为Δ[I2]的蓝色出现的时间Δt，则反应的初始速率为：

d[S2O82?]d[I3?]?[I3?] (4) ???dtdt?t根据(2)式的反应计量关系结合硫代硫酸钠的等量假设，可知

?[I3?]2?[S2O32?] (5) ??t?t根据(3)(4)(5)可知，

2?[S2O32?]?k[S2O82?]m[I?]n (6) ?t移项，两边取对数可得

ln1k?ln?mln[S2O82?]?nln[I?] (7) 2??t2?[S2O3]因而固定[I?]，以ln1对ln[S2O82?]作图，根据直线的斜率即可求出m；固定[S2O82?]，?t同理可以求出n。然后根据求出的m和n，计算出在室温下“碘钟反应”的反应速率常数k。

2、反应活化能的确定

根据Arrhenius公式

（8）

假定在实验温度范围内活化能不随温度改变，测得不同温度的速率常数后可按lnk对1/T作图，所得直线斜率求的活化能。

溶液中的离子反应与溶液的离子强度有关。因此实验时需要在溶液中维持一定的电解质浓度保证离子强度不变。

lnk?lnA?EaRT三、主要的实验仪器及试剂

1.仪器

恒温水浴槽一套；50mL烧杯两个；玻璃棒一支；秒表一只；专用移液管4支；专用量筒2支

2.试剂

0.20M(NH4)2S2O8溶液；0.20MKI溶液；0.01MNa2S2O3溶液；0.4%淀粉溶液；0.20MKNO3溶液；0.20M(NH4)2SO4溶液。

四、实验操作过程

4.1反应级数和速率常数的测定

按照表1所列数据将每组的(NH4)2S2O8溶液、(NH4)2SO4溶液和淀粉溶液放入烧杯A中混合均匀，KI溶液、Na2S2O3溶液和KNO3溶液放入B烧杯中混合均匀。然后将两份溶液均放入20℃的恒温水浴槽里恒温一段时间，之后将两份溶液混合，同时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时。反应的时候也在恒温水浴槽里进行。

表1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表

序号 0.20M(NH4)2S2O8溶液/mL 0.20MKI溶液/mL 0.01MNa2S2O3溶液/mL 0.4%淀粉溶液/mL 0.20MKNO3溶液/mL 0.20M(NH4)2SO4溶液/mL 1 10.0 10.0 4.0 1.0 0 0 2 5.0 10.0 4.0 1.0 0 5.0 3 2.5 10.0 4.0 1.0 0 7.5 4 10 5.0 4.0 1.0 5.0 0 5 10.0 2.5 4.0 1.0 7.5 0

4.2反应活化能的测定

按照表1中第1组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在15℃和25℃下按照4.1中的操作步骤测量溶液出现蓝色所需的时间?t并记录，要注意必须先将溶液在相应的水浴槽中恒温一段时间，待溶液温度与恒温槽温度相同后再将溶液进行混合。

五、实验数据的记录和处理以及结果 5.1 [S2O82-]和[I-]反应级数的确定

表2反应级数和速率常数测定的数据记录

序号 (NH4)2S2O8溶液浓度(mol/L) KI溶液浓度(mol/L) Na2S2O3溶液浓度(mol/L) 1 0.080 0.080 0.0016 35.38 2 0.040 0.080 0.0016 74.53 3 0.020 0.080 0.0016 115．35 4 0.080 0.040 0.0016 82.97 5 0.080 0.020 0.0016 140.37 时间Δt/s 根据表中的这些数据我们可以求出“碘钟反应”的反应级数和在室温下该反应的反应速率常数k，下面我们就依次求出这几个反应的动力学参数。

ln1与ln[S2O82?]的关系见表3。 ?t表3ln12?与[S2O8]的关系数据表 ?t序号 1 2 3 [S2O82?]浓度(mol/L) 时间Δt/s ln[S2O82?] ln1 ?t0.080 0.040 0.020 35.38 74.53 115.35 -2.526 -3.219 -3.912 -3.5661 -4.3112 -4.7479 根据表3的数据作图，见图1。

图1ln12?与ln[S2O8]关系图 ?t

由图1可知m=0.852 ln1与[I?]的关系见表4。 ?t表4ln1?与[I]的关系数据表 ?t序号 1 4 5 [I?]浓度(mol/L) 时间Δt/s 35.38 82．97 140.37 ln[I?] ln1 ?t0.080 0.040 0.020 -2.526 -3.219 -3.912 -3.5661 -4.4185 -4.9443

根据表4的数据作图2。

图2.ln1?与[I]的关系图 ?t

由图2知n=0.994

5.2反应速率常数的测定

我们根据(6)式可知，知道m，n，这样就可以计算出反应速率常数k的值了。

表5反应速率常数k的测定（20.0℃条件下）

序号 (NH4)2S2O8溶液浓度(mol/L) 1 0.080 0.080 0.0016 35.38 0．0093 2 0.040 0.080 0.0016 74.53 0.0079 3 0.020 0.080 0.0016 115．35 0.0093 0.0087 4 0.080 0.040 0.0016 82.97 0.0078 5 0.080 0.020 0.0016 140.37 0.0091 KI溶液浓度(mol/L) Na2S2O3溶液浓度(mol/L) 时间Δt/s 反应速率常数k 反应速率常数k的平均值

同理可以计算15℃和25℃时反应速率常数k。