颜色传感器在反应速度常数测定实验中的应用

熊 辉，冯文杰，莫婉玲，王洪伟，周锦兰，梅付名，李光兴

(华中科技大学化学与化工学院，湖北 武汉 430074)

反应速度常数及活化能的测定及计算是物理化学实验课程中不可或缺的教学内容，测定的方法是：在KI的酸性溶液中，加入一定量的淀粉溶液和已知浓度的Na2S2O3溶液，然后加入一定量的H2O2溶液，进行以下反应：

(1)

(2)

(3)

实验成功的关键是要保证在碘离子浓度不变的前提下记录到溶液变色的时刻。由于学生对颜色的判断不敏感，导致实验误差很大。通过引入颜色传感器，用仪器来代替人眼的判断，在溶液颜色变化时给学生以提示，可减少实验误差、提高实验精度。作者研制了一种适用于实时监测反应溶液颜色的微型装置，并与反应速度常数及活化能测定实验装置集成于一体，通过实验筛选并整合优化，使实验装置具有通用性和可扩展性。为开发新的基础化学实验提供了一种新的思路和有效的手段。

1 实验

1.1 技术原理

检测系统采用光电传感器，它的作用是将光信息转换为电信号。光电传感器对光的敏感主要是利用半导体材料的电学特性受光照射后发生变化，即利用的是光电效应[1]；它可以与LED组合工作。采用颜色检测技术来实时监测溶液颜色的变化，避免了反应溶液颜色观察的人为因素影响，极大地减少了滴加时间的判断误差。在实验过程中，是否滴加Na2S2O3是通过反应溶液的颜色变化来判断，所以，检测反应溶液变色信号是该研究的关键点。根据变色所对应的 RGB值作为判别的临界值，采用RGB editor软件选取；检测系统采用TCS230颜色传感芯片作为 RGB颜色识别传感器，在测试到溶液颜色达到预设值后提示变色警报：蜂鸣器配合LED指示灯；选用7段数码管作为时间及其它关键参数的显示器件。

1.2 方法

用移液管取10 mL 0.4 mol·L-1KI溶液，加到250 mL容量瓶中，用水稀释到容量瓶体积的2/3；量取2 mL 3 mol·L-1H2SO4溶液，加蒸馏水稀释至10 mL，然后倒入装有KI的容量瓶中，并滴加10滴淀粉溶液，再用蒸馏水稀释到刻度，摇匀，倒入500 mL烧杯内。控制反应温度为31 ℃，待内外温度平衡后，用滴定管滴加2 mL标准Na2S2O3溶液(0.05 mol·L-1)，随即用移液管加入10 mL标准H2O2溶液(0.2 mol·L-1)，同时打开颜色检测仪，当溶液变色，仪器声光提示时记下时间t，并迅速用滴定管加入2 mL Na2S2O3溶液，此后每当溶液变色提示时，加入2 mL Na2S2O3溶液，直到所加入的Na2S2O3溶液总量达16 mL时，停止实验。在41 ℃下以同样的方法重复实验。通过测出不同时刻t时H2O2的浓度ct(ct由消耗的标准Na2S2O3溶液体积Vt换算求得，V0=80 mL)，以ln(V0-Vt)对t作图，求出直线的斜率m(m=-k′=-kcr，其中cr为I-浓度)，进而求出在该反应温度下的反应速度常数k，最后根据阿伦尼乌斯公式计算反应的活化能[2]。

对传统实验装置和改进实验装置在相同反应条件(搅拌速度30 r·min-1)下得到的实验数据进行对比分析计算。

2 结果与讨论

2.1 传统实验装置的结果(图1)

图1 传统实验装置的测定结果

由图1可知，在反应温度为31 ℃时，直线斜率m=-0.000196，cr=0.0149 mol·L-1。kT=31 ℃=0.000196/0.0149=0.0131 s-1。同样可得出：kT=41 ℃=0.0248 s-1。

2.2 改进实验装置的结果(图2)

根据图2数据算出kT=31 ℃=0.0125 s-1；kT=41 ℃=0.0253 s-1。

图2 改进实验设备的测定结果

计算得到改进实验装置测定的活化能：EA=56.27 kJ·mol-1。

通过与文献值EA=58.70 kJ·mol-1[3]对比，传统实验装置的实验误差为14.0%，改进实验装置的实验误差为4.1%，表明后者可以更加准确地测出反应的活化能，提高实验精度。

3 结论

首次将光学元件与反应速度常数及活化能测定实验装置集成于一体，具有空间小、质量轻、维护方便、节省材料和能源、集成度高、检测速度快等优点。经过近一年的应用表明，实验操作简单快捷、减少了人为误差，是对传统测试手段的改进和创新，是目测方法的最佳替代。同时，对原有实验装置利用率高，具有较好的实用价值和推广前景。

参考文献：

[1] 张英华,李明海,赵传峰,等.基于颜色传感器的水质硬度在线自动测试仪的研制[J].分析仪器，2010，(5)：18-21.

[2] 周井炎.基础化学实验(上册)[M].武汉：华中科技大学出版社，2004：65.

[3] 傅献彩,沈文霞,姚天扬.物理化学(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2006：278.