化学反应速率与活化能测定实验改进

时间：2024-08-31

李玥周文吉陈新丽黄溦

摘要：通过对《化学反应速率与活化能的测定》实验中存在的问题进行分析，从实验药品、实验仪器和试剂用量等三个方面对该实验进行了改进，并探索了该改进方案的可行性，取得了较好的实验结果。改进后的实验不仅符合测定要求，而且节约了试剂，减少了废液产量，进而缩减教学成本，从源头降低了化学污染，符合绿色化学理念。

关键词：化学反应速率活化能半微量实验绿色化学

中图分类号：O643.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0105-04

Abstract： By analyzing the existent problems of the determination of chemical reaction rate and activation energy， this paper puts forward suggestions for improvement from three aspects of reagent， experiment equipment and amount of reagents， and feasible exploration of this method has been done with good experiment result. The new method not only meet the teaching requirement of the experiment， but also able to save the reagents and reduce the emissions of wastewater， thereby saving the teaching cost and lowering chemical pollution from the source， which is consistent with the concept green chemistry.

Key Words： Chemical reaction rate; Activation energy; Semi-microexperiment; Green chemistry

《化学反应速率与活化能的测定》是学习化学原理与常数测定方法的经典实验，是大学基础化学或无机化学学习中必须掌握的内容。通过调查多种版本教材中的实验方案[1-4]，发现该实验普遍是通过对过二硫酸铵与碘化钾的氧化还原反应进行测定，从而得出浓度，温度和催化剂对化学反应的影响，进一步计算出反应速率常数，反应级数和反应的活化能等相关数据。

1 当前实验存在的问题和不足

在实验开展的过程中，我们发现该实验有以下几点不足：

（1）反应物过二硫酸铵易分解[5]，试剂难以保存，部分分解的过二硫酸铵溶液导致所测的反应时间Δt很短，给后续温度和催化剂对反应影响的测定实验造成困难，难以准确计时对比，导致实验失败。

（2）该实验试剂用量大，按照教材上的实验方案，每个学生要完成实验，理论上至少需要400mL不同溶液，同时随之产生超过400mL废液，我校每年约500名学生进行该实验，即至少产生200L废液，而实际实验过程所用试剂量是理论用量的2～3倍，严重浪费药品的同时，增加了废液处理费用（目前已高达25元/L）。因此，无论是从药品的购买成本还是废液的处理成本，试剂用量大都造成了教育经费的浪费。

（3）反应在100mL烧杯中进行，反应过程中会产生碘单质，碘易挥发，有刺激性气味，且碘蒸气有毒，因此在敞口烧杯中进行，大量碘挥发，不仅污染环境，而且损害实验师生身体健康[6]。另外，在搅拌过程中，反应液很容易溅出烧杯，导致测得反应时间不准确。

（4）该实验所需玻璃仪器很多，学生在实验搅拌等操作时，经常打翻摔破仪器，特别是量筒，导致仪器损坏率较高。

（5）无论是试剂分解，溶液用量大，产生废液多，还是玻璃仪器破损率高，都大大地增加了实验员的工作量。

另外，随着人民生活水平的提高，环保意识、健康意识都逐渐增强，在化学教学上也越来越提倡绿色化学，从源头上节约资源，减少化学污染。因此，对于《化学反应速率和活化能的测定》实验的绿色化、半微型化改进探究十分有必要。

2 实验部分

可从实验药品，实验仪器和实验用量三个方面来改进本实验。首先，将易分解的过二硫酸铵替换为化学性质稳定过二硫酸钾，为保证离子强度一致，同时将硫酸銨替换为硫酸钾;其次，用定量取液器盛放各反应液，不仅大大减少量筒用量，而且保证了试剂取用的准确性;第三，将常量实验改为半微量实验，减少试剂用量，缩减至教材用量的1/10，因此，总反应溶液量仅为5mL，可用试管替代烧杯作为反应容器，且不需要玻璃棒搅拌，同时，试管口较小，能够减少碘的挥发。

2.1 浓度对反应速率的影响

为证明该方法的可行性，我们进行了验证实验。在室温条件下，用定量取液器按照表1中各试剂用量分别取0.20 mol/L KI溶液、0.010 mol/L Na2S2O3溶液、0.2%淀粉溶液、0.20 mol/L KNO3溶液和0.20 mol/L K2SO4溶液于试管中，混合均匀后，迅速量取0.20 mol/L K2S2O8溶液至试管，同时启动秒表开始计时，并不断振荡试管，尽量保持匀速，当观察到溶液刚出现蓝色时，立即停止计时，记录反应时间Δt/s，并计算相关数据填于表1。

计算出对应的lgr、lgc（S2O82-）和lgc（I-）。选取I、II和III的实验数据，以lgr～lgc（S2O82-）作图，拟合一条直线，斜率即为m值;同理，选取I，IV和V的数据，以lgr～lgc（I-）作图，拟合的直线斜率为n值。用Origin处理后得到图1和2，由图可知m=1.014≈1，n=1.009≈1，此反应为二级反应，符合理论结果，初步证明改进后的实验具有可行性。

2.2 温度对反应速率的影响

随后，我们又验证了温度对反应速率的影响。考虑到温度过高，反应速度太快，反应时间难以记录或记录误差大;而温度太低，反应速度过慢，影响实验进程，因此选择在高于室温约10℃和20℃的条件下探究温度对该反应的影响。按照表1中IV的各试剂用量，将装有0.20 mol/L KI溶液、0.010 mol/L Na2S2O3溶液、0.2% 淀粉溶液和0.20 mol/L KNO3溶液的试管与另一支装有0.20 mol/L K2S2O8溶液的试管分别水浴加热，待到达目标温度后，快速将过二硫酸钾溶液倒入混合溶液的试管中，同时按下秒表开始计时，匀速振荡试管，观察溶液变蓝后立刻停止计时，测量反应后溶液的温度（由于反应时间较短，测量反应时的温度操作难度很大，所以可用变蓝后溶液的温度近似作为反应温度），记录反应时间和反应温度于表2。

2.3 活化能的计算

由反应速率公式r=kc（S2O82-）nc（I-）n可得lgr=mlgc（S2O82-）+nlgc（I-）+lgk，其中m=1，n=1，可求得lgk。再根据Arrhenius公式，以lgk～1/T作图，拟合一条直线（如图3），由斜率即可求得该反应的活化能Ea=49.7kJ·mol-1，与文献报道的活化能51.8kJ·mol-1相比，误差不到5%，在合理范围内，再次证明改进后的实验具有可行性。

3 改进实验优势讨论

在实验药品上，用化学性质稳定的K2S2O8替代易分解的（NH4）2S2O8，同时为保证离子强度一致，将（NH4）2SO4替换为K2SO4，既节约了药品的使用，减少了废液的产生，又保证了实验的稳定性。

在实验用量上，常量實验改为半微量实验，试剂用量和废液的产生量都变为原来的1/10，大大减少了试剂购买成本、废液处理成本以及实验室工作人员的人工成本。

在实验仪器上，用定量取液器代替量筒量取反应液，不仅大大减少了量筒的用量，而且避免了试剂多次转移，即减小了实验误差;试管替代烧杯作为反应容器，不需要玻璃棒搅拌的同时，可减少碘单质的挥发。

改进后的实验在满足实验要求的前提下，不仅减少了试剂和玻璃仪器的使用，节约了教学经费，使之可操作性更强，而且从源头上减少了废液的产生，从而避免化学污染，符合国家提倡的绿色化学理念[7-9]。

4 结论

本文从实验药品，实验用量和实验仪器三个方面对原教材实验进行了改进。改进后的微型实验在现有的实验室基础上只需添置定量取液器即可进行，且实验得出的m.n.Ea等误差较小，具有较高的准确性，完全符合实验要求。同时，响应了国家绿色化学的号召，因此可用改进后的半微量实验替代原实验作为学生实验。

参考文献

[1] 北京师范大学无机化学教研室等.无机化学实验[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2] 吴建中.无机化学实验[M].北京：科学出版社，2018.

[3] 南京大学《无机及分析化学实验》编写组.无机及分析化学实验[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 周智华，薛丽梅.无机化学实验[M].徐州：中国矿业大学出版社，2017.