碘鐘實驗 (II)- 反應級數與活化能之測定 國立臺灣大學化學系, 大學普通化學實驗, 第十二版, 國立臺灣大學出版中心 : 台北, 民國九十七年 版權所有, 若需轉載請先徵得同意 ; 疏漏之處, 敬請指正 臺大化學系普化教學組梁瑜玲助教 (2008.07.5) 林哲仁助教 (20.07.28) 一 目的 : 利用定量的硫代硫酸根 (S 2 O 3 ) 與碘分子 (I 2 ) 的氧化還原反應當測量工具, 測定過硫酸根離子 (S 2 O 8 ) 與碘離子 (I - ) 反應之速率 學習以積分作圖法決定反應級數及速率常數, 改變反應溫度以測定活化能, 並探討催化劑對反應速率之影響 二 實驗技能 : 學習刻度吸量管之使用, 反應顏色判斷 測定反應速率及活化能計算 三 原理 : 本實驗為測定過硫酸根離子 (S 2 O 8 ) 與碘離子 (I - ) 之反應 ( 式 ) 速率, 加入限量的硫代硫酸根 (S 2 O 3 ) 作為計時劑, 由於 S 2 O 3 與產物碘分子 (I 2 ) 反應的速率極快 ( 式 2), 可以在混合的剎那間即完成 所以當有 S 2 O 3 存在,I 2 不會存在, 一旦 S 2 O 3 消耗完時,I 2 與 I - - - 形成 I 3,I 3 就會與原先放入反應液中的澱粉指示劑生成藍黑色錯合物 ; 記錄此藍黑色出現的時間 (t), 並由 S 2 O 3 之用量和它與 S 2 O 8 之化學計量關係 ( 式 3), 可決定反應速率, 如式 4 所示 S 2 O 8 + 2I - 2SO 4 + I 2 () 2S 2 O 3 + I 2 2I - + S 4 O 6 (2) [S 2 O 3 ] =2[S 2 O 8 ] (3) [S O ] rate 2 [S O 2 2 ] 2 3 2 8 (4) t t ( 二 ) 積分作圖法 (graphical method) 對反應 A P 而言. 零級反應 (zero order reaction) 若為反應物 A 之零級反應 ( 速率與 [A] 無關 ), 其速率定律式為 rate k (5) E9-5
積分後 [A] = -kt + [A] o (6) 其中,[A] o 為起始濃度,[A] 為經時間 t 後反應物 A 之濃度 以 [A] 對時間 t 作圖, 可得一直線, 其斜率為 -k,y 截距為 [A] o 2. 一級反應 (first order reaction) 若為反應物 A 之一級反應, 其速率定律式為 : rate k[a] (7) 積分後 ln[a] = -kt + ln[a] o (8) 以 ln[a] 對時間 t 作圖, 可得一直線, 其斜率為 -k, 截距為 ln[a] o 3. 二級反應 (second order reaction) 若為反應物 A 之二級反應, 其速率定律式為 : rate k[a] 2 (9) 積分後 [A] kt (0) [A] 0 以 /[A] 對時間 t 作圖, 可得一直線, 其斜率為 k,y 截距為 /[A] o 因此, 只要測定反應物 A 之濃度隨反應時間的變化, 並分別以 [A] ln[a] 及 /[A] 對時間 t 作圖, 由何者呈直線關係, 就可據以判斷反應級數 本實驗以積分作圖法決定反應級數 每次試驗的反應條件均相同, 反應 物 S 2 O 8 與 I - 的起始濃度固定, 但改變反應液中計時劑 S 2 O 3 的用量, 測定經過不同時間 (t) 反應物 [S 2 O 8 ] 的變化, 再以作圖法決定其反應級數與速率常數 由於實驗設計中 [I - ] 遠大於 [S 2 O 8 ], 即假設反應過程中 [I - ] 不變, 只 探討反應物 S 2 O 8 之反應級數, 反應物取量如表 2 所示 ( 三 ) 活化能之測定 一般化學反應速率隨溫度升高而加快, 此因溫度升高使反應速率常數隨之增大 在 888 年, 瑞典化學家阿瑞尼斯 (Svante Arrhenius) 提出 : 分子發生反應需具有一最低之能量, 此能量稱為活化能 活化能與速率常數之間的關係可用如下之阿瑞尼斯方程式 (Arrhenius equation) 表示 : Ea RT k Ae () E9-6
或 lnk -Ea lna R T (2) 其中,k: 速率常數 T: 絕對溫度 (K) A: 阿瑞尼斯常數 R: 氣體常數,8.34(J/mol-K) E a : 活化能 e: 自然對數底數 測定不同溫度下反應的速率常數, 以 ln k 對 /T 作圖, 由所得直線之斜率 -E a /R, 可得到該反應之活化能 最後一部分的實驗為在反應液中添加催化劑 CuSO 4(aq) 觀察其對反應速率之影響 實驗流程 : 表 2 積分作圖法實驗各試劑之濃度及取量 編號 2 % 澱粉.0 M NaI 0.20 M Na 2 S 2 O 3 蒸餾水.00 5.00 5.50.50 2.00 5.00 4.50 2.50 3.00 5.00 3.50 3.50 4.00 5.00 2.50 4.50 *5.00 5.00.50 5.50 6.00 5.00 0.50 6.50 洗淨烘乾 0個錐形瓶 依照表 2取用試劑 配方 5溫水浴與冰浴 配方 5加入催化劑 計算並作圖決定反應級數與 活化能 四 儀器與材料 : 電磁加熱攪拌器 磁攪拌子 刻度吸量管 (0 ml) 安全吸球 錐形瓶 (50 ml,0 個 ) 軟木塞(6 個 ) 燒杯(00 ml,4 個 ) 碼錶 保麗龍湯杯 (2 個 ) 溫度計 五 藥品 :.0 M 碘化鈉 (sodium iodide,nai) 0.5 M 過硫酸鉀 (potassium persulfate,k 2 S 2 O 8 ) 0.20 M 硫代硫酸鈉 (sodium thiosulfate,na 2 S 2 O 3 ) 2 % 澱粉溶液 (starch) 0.020 M 硫酸銅 (copper(ii) sulfate,cuso 4 ) E9-7
六 實驗步驟 : 步驟 示範 ( 一 ) 積分作圖法. 洗淨 烘乾 0 個 50 ml 錐形瓶並放冷至室溫, 標示之, 分別依表 2 所示用量, 準確量取試劑, 置於錐形瓶中 2. 準確量取 5.0 ml 之 0.5 M K 2 S 2 O 8 溶液, 加於第 號錐形瓶中, 並開始計時 反應過程中用軟木塞塞住瓶口, 且持續攪拌以混合均勻 3. 溶液一變色, 即停止計時, 記錄反應時間 4. 重覆步驟 2 3, 將 5.0 ml 之 0.5 M K 2 S 2 O 8 加於第 2 3 4 5 6 號錐形瓶中, 並測定反應呈色時間 註 : 可以 分鐘或 30 秒之間隔, 依序添加 K 2 S 2 O 8(aq) 於各瓶中, 同時反應 5. 量測在室溫下, 反應前 後之溶液溫度 E9-8
( 二 ) 活化能之測定 6. 準備二個錐形瓶, 依表 2 中編號 5 之試劑取量, 準確量取各溶液置於瓶中 7. 在保麗龍湯杯中放置冰與水, 將錐形瓶放於此冰浴杯中 經數分鐘溫度達到平衡後, 測量錐形瓶內溶液溫度, 再加入 5.0 ml 之 0.5 M K 2 S 2 O 8(aq), 持續攪拌使溶液混合均勻並計時 註 : 反應時間較長, 可能需十數分鐘 反應過程中應持續觀測溶液溫度, 並酌加冰塊以儘量保持定溫 重覆步驟 7, 但改於約 40 之溫水浴中反應 8. 註 : 水浴溫度, 只需高於室溫並保持定溫即可, 毋需一定調整到 40 ( 三 ) 催化劑與反應速率 9. 按表 2 中編號 5 之試劑取量, 準確量取各溶液置於瓶中, 測定記錄溶液溫度 加入 2 滴 0.020 M 之 CuSO4 (aq), 而後加入 5.0 ml 0. 0.5 M K 2 S 2 O 8(aq), 混合溶液並計時 與實驗 ( 二 ) 之變色時間比較 E9-9