实验十四　化学反应速度、反应级数和活化能的测定

【实验目的】

（1）学习测定过二硫酸铵与碘化钾反应的反应速率的方法。

（2）掌握温度、浓度和催化剂对反应速率的影响。

（3）利用实验数据会计算反应级数、反应速率常数和反应的活化能。

【实验原理】

过二硫酸铵溶液与碘化钾溶液发生如下反应：

（NH4）2S2O8+3KI（NH4）2SO4+K2SO4+KI3

离子方程式为：　　（1）

反应的平均速率v与反应物浓度的关系为：

式中，Δ［］为Δt时间内浓度的改变量；［］和［I-］分别为两种离子的初始浓度；k为反应速率常数；（m+n）为反应级数。

为了测出Δt时间内浓度的变化量，需要在过二硫酸铵与碘化钾混合前，先在碘化钾溶液中加入一定量已知浓度的硫代硫酸钠溶液和淀粉溶液。由反应（1）生成的碘被硫代硫酸钠还原：

反应（1）为慢反应，而反应（2）进行得非常快，瞬间完成。由反应（1）生成的I-3立即与作用，生成无色的I-和。因此，在反应开始一段时间内，看不到碘与淀粉作用的蓝颜色。但是，一旦硫代硫酸钠消耗完，由反应（1）继续生成的微量碘立即与淀粉作用，使溶液变蓝。

从反应方程式（1）和（2）的关系可以看出，消耗的浓度为消耗浓度的一半。即

当硫代硫酸钠耗尽时，Δ［］就是开始时Na2S2O3的浓度。

在本实验中，每份混合溶液中Na2S2O3的起始浓度都是相同的，因而Δ［］不变。因此，只要记下反应开始到溶液出现蓝色所需要的时间Δt，即可求出反应速率

根据反应速率方程：

利用求出的反应速率v，就可以计算m和n，进一步可求出速率常数k值。

反应速率常数k与反应温度T有如下关系：

式中，Ea为反应的活化能；R为气体常数；T为热力学温度。测出不同温度下的k值，以lgk对1/T作图可得一直线，由直线的斜率可求出反应的活化能Ea值。

【实验仪器与试剂】

仪器：温度计，秒表，恒温水浴锅，烧杯，量筒，玻璃棒或电磁搅拌棒。

试剂：KI（0.2mol·L-1），KNO3（0.2mol·L-1），（NH4）2S2O8（0.2mol·L-1），（NH4）2SO4（0.2mol·L-1），Na2S2O3（0.010mol·L-1），Cu（NO3）2（0.02mol·L-1），0.2％淀粉溶液。

【实验步骤】

1.浓度对反应速率的影响

在室温下，用量筒分别量取0.2mol·L-1的KI溶液20mL，0.01mol·L-1的Na2S2O3溶液8mL和0.2％淀粉溶液4mL，将以上溶液加入到150mL锥形瓶中，混匀。再用另一个量筒取0.2mol·L-1的（NH4）2S2O8溶液20mL，快速加到盛混合溶液的锥形瓶中，同时开动秒表，将溶液搅匀。当溶液刚出现蓝色时，立即停表，记下反应时间和温度。

用同样的方法按表2-13序号Ⅰ组的用量，完成序号Ⅱ～Ⅴ组的其它实验。为使每次实验中溶液离子强度和总体积不变，不足的量分别用0.2mol·L-1的KNO3溶液和0.2mol·L-1的（NH4）2SO4溶液补足。

2.温度对反应速度的影响

按表2-13中实验序号Ⅳ的用量，分别做比室温高10℃、20℃、30℃，其它操作步骤同实验1，记录反应时间，结果列于表2-14。

3.催化剂对反应速率的影响

Cu2+可以使（NH4）2S2O8氧化KI的反应速率加快。按表2-13中实验序号Ⅳ的用量，先在混合溶液中加2滴0.02mol·L-1的Cu（NO3）2溶液，混匀，其它操作同实验1。记录反应时间，结果列于表2-15。

【数据记录与处理】

1.反应级数和反应速率常数的计算

当不变（实验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）时，以lgv对作图，得直线，斜率为m。同理，当不变（实验Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ）时，以lgv对作图，得n，此反应级数为m+n。利用实验1一组实验数据即可求出反应速率常数k，数据列于表2-16。

注：m和n取正整数。

2.求反应的活化能Ea

计算不同温度下的反应速率常数k列于表2-17，以lgk对1/T作图，通过直线的斜率求出反应的活化能Ea。

【思考题】

（1）反应中加入定量的Na2S2O3作用是什么？

（2）实验中为什么可以由反应溶液出现蓝色的时间长短来计算反应速度？出现蓝色后反应是否停止了？

（3）根据实验结果讨论浓度、温度、催化剂对反应速度及速度常数的影响。

【注意事项】

（1）实验高于室温对反应速率的影响时，KI、Na2S2O3、淀粉、KNO3、（NH4）2SO4混合液和（NH4）2S2O8溶液要分别加热到目标温度。

（2）反应时也要保持混合前的温度。