碘钟反应的动力学和热力学参数的测定.docx

碘钟反应”的动力学和热力学参数的测定南凯 2010301040083 (武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072) 摘要：本实验依次测定了“碘钟反应”的反应级数、速率常数和活化能，前两个量是反应 动力学参数，活化能属于反应热力学参数，通过研究这三个量我们就可以大致上知道“碘钟反应” 所经历的历程和反应的难易程度毫无疑问，这些参数的测定对研究一个化学反应来说是十分重 要而且有用的关键词：碘钟反应；反应级数；活化能引言：本实验采用初速法测定SO 2-与I -的反应级数和反应活化能，我们在室温下通过改变 28S O2-与I-的物料比，从而确定“碘钟反应”中S O2-与I-各自的反应级数然后根据求得的2 8 2 8SO 2-与I -的反应级数，改变反应温度，得到不同温度下的“碘钟反应”的速率常数k，进而根28据Arrhenius方程k = A exp(-話)，以In k对”岭作图，根据图像的斜率求得本反应的活化能1 实验原理在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应[1：]S O2-+ 3I - = 2SO2-+1 - ⑴2 8 4 3我们事先同时加入少量的硫代硫酸钠溶液和淀粉指示剂，则⑴式中产生的少量的I-会优先3和S O2-反应而被还原成I-:(2)232S O 2-+1 - = SO 2 -+ 3I -2 3 3 4 6这样，当溶液中的硫代硫酸钠全部反应掉后， (1)式生成的碘才会和淀粉指示剂反应，使溶 液呈蓝色。

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 蓝色的这段时间即可用来度量本反应的初速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：= k[S O2-]m[I-]n28(3)d [S O2-]2 8—dt根据(1)式中的反应计量关系，可以认为：d[S O2- ] d[I- ] A[I-]— 2 8 = 3 = 3 (4)dt dt At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(5)A[I- ] 2A[S O2-]3 = 2 3At At根据(3)(4)(5)可知，2A[S O2-]2~~3—At= k[S O2-]m[I-]n28移项，两边取对数可得ln zt=lnk2A[S O2-]23+ m ln[S O2- ] + n ln[I-]28因而固定［厶］，以吐对go；-］作图’根据直线的斜率即可求出m ；固定［S2O82-］，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最后改变温度，测出不同温度下从反应开始到出现蓝色所需的时间At，计算出不同温度下 的反应速率常数，由Arrhenius公式，以lnk对1T作图，根据直线的斜率即可求出活化能。

2主要的实验仪器及试剂恒温水浴槽一套；50mL 烧杯两个；玻璃棒一支；秒表一只；0.20M (NH ) S O 溶液；4 2 2 80.20M KI 溶液；0.01M Na S O 溶液；2 2 34%淀粉溶液；0.20M KNO 溶液；30.20M (NH ) SO 溶液4 2 43 实验部分3.1 反应级数和速率常数的测定按照表1所列数据将每组的(NH ) SO溶液、(NH ) SO溶液和淀粉溶液放入烧杯A中混4 2 2 8 4 2 4合均匀， KI 溶液、 Na S O 溶液和 KNO 溶液放入 B 烧杯中混合均匀然后将两份溶液混合，2 2 3 3 当混合至一半时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时表 1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表序号123450.20M (NH ) S O 溶液/mL4 2 2 810.05.02.51010.00.20M KI 溶液/mL10.010.010.05.02.50.01M Na S O 溶液/mL2 2 34.04.04.04.04.00.4%淀粉溶液/mL1.01.01.01.01.00.20M KNO 溶液/mL30005.07.50.20M (NH ) SO 溶液/mL05.07.5004 2 43.2 反应活化能的测定按照表1中第4组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在10.0、30.0和40.0下按照3.1 中的操作步骤测量溶液出现蓝色所需的时间 At 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。

4 实验数据的记录和处理4.1 反应级数和速率常数测定的数据记录序号12345(NH ) S O 溶液浓度(mol/L)4 2 2 80.0800.0400.0200.0800.080KI溶液浓度(mol/L)0.0800.0800.0800.0400.020Na S O溶液浓度(mol/L)2230.00160.00160.00160.00160.0016时间 t/s30.8860.97117.4457.53102.03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4.2［S O2- ］ 反应级数的确定28表31吐与"J的关系见表3根据表3的数据作图，见图寓d --1^-BLinearRtof Dsial B序号[S O2-]浓度(mol/L)28时间 t/sln[S O2-]28lnAt10.08030.88-2.526-3.43020.04060.97-3.219-4.11030.020117.44-3.912-4.766图81 ln At与号2-］的关系图1n At与［S2OS -］的关系数据表-3.4 -•• ■凶悒吕专書:吃・百令翎和制590«0.11 Uneai 除 0«#1_6r=A*B"XPHrjrYwur VjiiiA EflarV.4・5D N P0999950.00® 3 QO®6-4.0 -3.B -3.a ・3U -3.2 -3.D -2-B ・2・IB -214由图可知，In加对比(7)式可知，In— = -0.9991+0.96391n[S O2-]，其中相关系数 r = 1.0000,At 2 8m = 0.9639，这就是S O2-的反应级数。

284.3 ［ I -］反应级数的确定In丄与［I-］的关系见表3,根据表3的数据作图，见图2At表3 ln 与［I-］的关系数据表At序号[I -]浓度(mol/L)时间 t/sln[I-]In丄At10.08030.88-2.526-3.43020.04057.53-3.219-4.05230.020102.03-3.912-4.625由图可知，In 1 =-1.2603 + 0.86221n［I-］，其中相关系数r = 0.9997，对比(7)式可知, Atm = 0.8622，这就是I-的反应级数『• ■p

[S O2- ]0.9639 [I- ]0.8622 At28表4反应速率常数k的测定序号12345(NH ) S O 溶液浓度(mol/L)4 2 2 80.0800.0400.0200.0800.080KI溶液浓度(mol/L)0.0800.0800.0800.0400.020Na S O溶液浓度(mol/L)2230.00160.00160.00160.00160.0016时间 t/s30.8860.97117.4457.53102.03反应速率常数 k0.010440.010310.010440.010180.01044反应速率常数 k 的平均值0.01036由上可知，本反应的速率常数k = 0.010364.5反应活化能的测定根据(6)式的推论可知，1/T与k的关系如表5所示：表5 1T与k的关系表k = A exp(-旦)RT两边同时取对数，可得ln k = ln A -EaRT(8)(9)序号温度T/°C1 T速率常数 kln k1283.23.531E-030.003895-5.5482294.63.394E-030.01018-4.5873305.23.276E-030.02106-3.8604315.43.170E-030.03327-3.403根据表5,以lnk对1；T作图，结果如图3所示，结合Arrhenius公式,由图可知，线性拟合的结果为lnk = 15.87 -6048.7，相关系数r = -0.9946，这样“碘钟反应”的活化能 E = 8.314 x 6048 = 50.28J - mol-1。

图3 In k与1T的关系图5 结果与讨论在这个实验中，我观察到了几个比较奇怪的现象，下面我将逐一讨论5.1 水浴温度对实验的影响我在做40°C水浴的“碘钟反应”时，有两次溶液最后变色不是变为蓝色，而是呈现出了棕 黄色，这两个的反应时间大约为17s，而另一组的实验溶液最后呈现蓝色，但是反应时间只有7s , 这样我就很纳闷了，我认为呈现蓝色的那组溶液中可能是由于当时一时疏忽，将 KI 溶液加多了， 但很困惑，为什么这组出现了蓝色，而前两组呈现的却是黄色我认为这个黄色应该是碘的颜色， 在高温下，碘并未与淀粉指示剂络合，还是淀粉指示剂在高温下发生了糊化，与碘络合的颜色发 生了变化5.2 反应容器对实验的影响在做30C的水浴时，我换了烧杯，结果反应时间竟然从27.81s变为了 20.35s，这样说来， 这个反应中容器的器壁也参加了反应，有可能反应中有自由基的生成与转化影响实验结果的其他因素，如反应的计时起始时间，搅拌的程度，溶液体积的变化就不在 赘述了6 参考文献[1]武汉大学化学与。