反应速率和活化能测定实验的教学探讨*

任 红, 李 飞, 杨耀彬, 金 华, 高文秀

(吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022)



教学园地

反应速率和活化能测定实验的教学探讨*

任 红, 李 飞, 杨耀彬, 金 华, 高文秀

(吉林化工学院化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022)

目前大部分本专科院校均开设“化学反应速率和活化能”测定实验，大多选用过二硫酸铵与碘化钾反应，记录淀粉遇碘变蓝时间，最后进行数据处理得出反应速率、反应级数、速率常数和活化能等系列值。从“实验原理、实验步骤和实验数据处理”三个环节展开探讨，为实验教师提供实用的教学参考，同时切实提学生的实验操作技能和理论素养。

反应速率；活化能；常数测定实验；实验教学探讨

“化学反应速率和活化能测定”属于化学常数测定实验，为经典的无机化学实验[1]。目前大部分本专科院校采用“过二硫酸铵(或过二硫酸钾)”与碘化钾反应来测定化学反应速率、反应级数、速率常数以及反应的活化能；通过该实验，学生还可直观了解到反应浓度、温度和催化剂对反应速率的影响，并掌握溶液量取、水浴使用和秒表计时等基本操作技能[2]。我们教研组结合多轮实验教学经验，对该实验的实验原理、实验操作和实验数据处理三个环节展开讨论，具体如下：

1 实验原理探讨

1.1 基本实验原理

过二硫酸按与碘化钾反应求反应速率和活化能的实验原理如下[3]：

(NH4)2S2O8+3KI=(NH4)2SO4+KI3+K2SO4

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

改变不同浓度，测得不同反应时间Δt，即能计算出该反应的级数m和n；由同一浓度在不同温度下的k，作lgk和1/T 的关系图，求出斜率，按阿仑尼乌斯公式求出反应活化能。

1.2 实验原理两点补充说明

对于反应原理，我们教研组认为还有两个问题可以给学生予以说明，但在大多数现行实验教材中找不到相关讨论。

一为在该实验中，为确定反应级数，采用了“改变物质数量比例法”,对于反应:

aA+bB → dD+eE

(7)

①保持 cA不变，改变cB，找出cB与v的关系，求得y；

②保持cB不变，改变cA，找出cA与v的关系，求得x。

从反应式(1)可见，(NH4)2S2O8和KI可分别代表(7)中的反应物A和B，学生可通过“改变物质数量比例法”直观测得m，n。

二为反应物浓度的设计：通常作为主反应物(NH4)2S2O8和KI的浓度均为0.20 mol·L-1，Na2S2O3的浓度为0.010 mol·L-1，可见两者浓度相差20倍。参照实验教材，当Na2S2O3消耗完毕时，即淀粉变色时，主反应物(NH4)2S2O8浓度改变1%～4%，KI浓度改变3%～12%[1]。

在化学反应速率的计算过程中，反应式(5)计算反应平均速率；同时从反应式(6)可见，计算反应瞬间反应速率时代入浓度为主反应物(NH4)2S2O8和KI的初始浓度。实际反应中，由于主反应物为(NH4)2S2O8和KI，相对于Na2S2O3存在较大浓度差，淀粉遇碘变色时主反应物浓度变化均不大，所以由反应式(5)得出的平均反应速率可近似等同于反应式(6)中的瞬间反应速率，这也正是本实验设计的巧妙之处。同时，通过多轮实验我们发现，当固定一种主反应物浓度，分别将另一种反应物加入量减为原有的1/4时，即反应物浓度减为原有的1/4，计算所得的反应级数误差有所加大(相对浓度减为1/2的情况)，侧面说明反应物浓度变化大时近似合理性下降。

2 优化实验操作步骤

2.1 实验溶液的配制

本实验中主要涉及药品包括(NH4)2S2O8，KI，Na2S2O3，淀粉，(NH4)2SO4，KNO3等，均需要配置成具有一定浓度的溶液。其中(NH4)2S2O8为强氧化剂，(NH4)2S2O8溶液需要新鲜配置[3]。若药品储存时间过长, 或生产厂家在生产过程中未彻底干燥，(NH4)2S2O8就容易吸收空气中的水分, 分解生成少量H2SO5。H2SO5与KI反应非常迅速，使实验测得时间Δt趋近于零，导致实验失败。

2.2 实验操作的优化

本实验为了测定活化能，会选取3个不同温度，分别测得反应时间进而获得反应数量常数。理论上这3个不同温度点之间具有一定温度梯度即可，但根据范特霍夫经验规则，温度上升10 ℃，反应速率会增加2～4倍。为了加深学生对这一经验规则理解，大部分实验书上都会选择室温，室温±10 ℃这3个温度条件。同时，选择上述温度条件还有以下优点：(1)室温通常为20～25 ℃之间，即使在室温高10 ℃条件下，反应不至于太过迅速，能保证反应时间测定准确性；(2)当反应升温至55 ℃时，淀粉遇碘可能不会出现蓝色，原因是I2与淀粉形成的蓝色的管道形包合物热稳定性较差。随着温度升高，分子运动加剧，淀粉螺旋状结构被破坏，I2分子从空腔中钻出，蓝色渐渐变浅，直至消失[4]。因此室温高10 ℃条件是综合考量实验各影响因素后一个比较满意的选择。需要注意，实际操作中时，我们须分别放置(NH4)2S2O8溶液和其余试样的混合液在一定温度的水浴中，然后再混合，保证在较精确的温度下进行反应，而不是在室温下混合所有反应物再置于设定好温度的水浴中。

2.3 实验的微型化和绿色化趋势

“化学反应速率和活化能测定”实验存在试剂用量大, 污染较严重的问题，开设本实验的实验室墙壁上均出现了不同程度的变黄，甚至实验相关人员还会出现碘中毒现象[5]。针对上述情况，有教师对本实验进行了微型化的初探，使用注射器、精密刻度吸量管或微量加液器移取反应液，在保证实验准确度和精密度的前提下，试剂使用量可节约90%～95%，减少污染的同时降低了实验成本[6]。

此外，在实验废液回收方面也取得了进展，有实验室开展废液无害化处理，使其转变成K2S2O8和KI晶体，做到药品循环使用[5]。可以预见，微型化和绿色化技术引进是今后该实验优化的一个必然趋势。

3 实验数据处理说明

用excel软件以lgk对1/T作图，可得一斜率为J (J=-Ea/2.303R)的直线，求得斜率后可得活化能Ea值，文献值为51.8 kJ·mol-1[7]。需要说明的是，在未采用计算机软件处理数据前，须用坐标纸作图画出直线，例如选择温度为283 K，293 K和303 K，部分同学直接将1/283 K，1/293 K和1/303 K看作为等差数列作图，产生误差。关于这一点，实验指导教师可稍加说明。

4 结 语

化学反应速率和活化能实验涉及到化学反应速率υ，反应级数m和n，反应速率常数k和活化能Ea的求算，涉及到化学反应动力学中的许多重要概念(如反应平均速率、瞬时速率，范特霍夫规则等)，在提高学生实验素养的同时较好地配合了无机化学理论教学。部分学生在进行本实验后，对淀粉遇碘变蓝这一现象颇感兴趣，又继续查找相关书籍了解变色机理，为后续有机化学和生物化学理论学习做了必要铺垫；另有同学对相关实验产生好奇，如碘钟反应等，我们教师尤其应鼓励学生的实验探索精神。

[1] 中山大学．无机化学实验．3版[M]．北京:高等教育出版社，2011:78-80.

[2] 王立平,李淑新,王亚茹,等．化学反应速率和活化能测定微型实验初探[J].化学教育，2005(11):54-56.

[3] 李树新．化学反应速率测定中(NH4)2S2O8试剂的改进[J].北京石油化工学院学报，1997,5(2):47-50.

[4] 陈玲琍．基础化学实验课程的改革实践[J].化工职业技术教育，2010(2):63-65.[5] 李景红, 孔茜, 赵福岐.化学反应速率和活化能测定实验的绿色化探索[J].聊城大学学报:自然科学版, 2005, 18(4):102-104.

[6] 张秀丽,程志国,秦好静,等．化学反应速率与活化能测定实验微型化[J].实验技术与管理,2010(3):236-238.

[7] 林燕玲．过二硫酸铵与碘化钾反应速率测定的半微量化实验的探讨[J].时代教育:教育教学版, 2009(6):85.

Discussion of Experiment on Determination of Reaction Rate and Activation Energy*

RENHong,LIFei,YANGYao-bin,JINHua,GAOWen-xiu

(School of Chemistry and Pharmaceutical Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022, China)

At present, most of the colleges have set up "Determination of reaction rate and activation energy" experiment.The (NH4)2S2O8and KI were selected to carry out chemical reaction, and the time of starch becoming blue in the case of iodide were recorded.Finally, a series of values, such as reaction rate, reaction order, rate constant and activation energy could be obtained by data processing.The teaching discussion was given through three aspects, including experimental principle, experimental procedure and experimental data processing.A practical teaching reference for the experimental guidance teachers was provided and the experimental skills and theoretical knowledge of students were effectively improved.

reaction rate; activation energy; constant determination experiment; experimental teaching discussion

国家自然基金(No: 21375046)；吉林省教育科学“十二五”规划课题(No: GH11223)；吉林省高教学会科研项目(No: JGJX2015D169)。

任红(1981-)，女，副教授，从事无机化学相关科研和教研工作。

O61

A

1001-9677(2016)019-0162-03