实验27丙酮碘化反应动力学

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1、实验 27 丙酮碘化反应动力学一、目的用改变初始浓度法測定丙酮碘化反应的级数。用分光光度法测定丙酮碘化反应的速率常数及活化能。进一步掌握分光光度计的使用方法。二、基本原理酸催化的丙鲖碘化反应是一个复杂反应，初始阶段反应为(,140) IHICOHICOH2323该反应能不断产生 H+，它反过来又起催化作用,故是一个自动催化反应。其速率方程可表示为(,141)rHqIpAIAEckdtctdtc22-_式中 、 、 、 、 反应速率、碘化丙酮、丙酮、供EA2I及盐酸的浓度(molL -1)k-速率常数；p、q、r-丙酮、碘和氢离子的反应级数。反应速率、速率常数以及反应级数均可由实验测定。实验证实

2、在本实验条件(酸的浓度较低）下,丙酮碘化反应对碘是零级反应，即 q 为零。在丙酮和酸大大过量的情况下，可用少量的碘来控制反应进度。这样，当碘完全消耗 前，丙酮和酸的浓度基本保持不变。由于反应速率与碘的浓度无关(除非在很高的酸度 下 ，因而直到全部碘消耗完以前，反应速率为一常数。若以 表示丙酮和酸的初始 浓度,则0cAH有(,142)常 数rHpAIckdtc02由式（II，142）可见,若能测得反应进程中不同时刻 t 时碘的浓度以对 I 作图应 为一直线，直线的斜率就是反应速率。2cI由于反应并不停留在一元碘化丙酮上,还会继续反应下去,故采用初始速率法,测量开始一段的反应速率。为了确定反应级数

3、 p,至少需进行两次实验，用脚注数字分别表示各次实验。当丙酮初始浓度不同，而碘离子、氢离子初始浓度分别相同时，即 12cAu12I2cI 12Hc则有 pAprHqIpAuk1121lgl1(,143)upl)l(12同理，当丙酮、碘的初始浓度分别相同,而酸的浓度不同时，即 可得出13Ac1322II 13Hwc（.144)lg)(l13r又 ,则有14Ac14Hc1422IIxc （.145)lgx)(l14q因此，如能测出各次实验的反应速率，在在 u、w、x 为已知的情况下，就可由以上 （ II 143）（II 145）确定反应级数p、r、q。反应体系中除碘以外，其余各物质在可见光区均无明

4、显吸收，因此可用分光光度法直接观察碘浓度的变化。碘的最大吸收波长虽然在紫外区，但在可见光区仍有较强的吸收。 光度测定可由 72 型(或 721 型）分光光度计完成。由比尔定律知，对于指定波长的入射光，入射光强 出射光强0I以及碘浓度间有以下关系式I0IT（ 透 光 率 ）（.145)2-lgIlck式中 -样品池的光径长度；l取 10 为底的对数时的吸收速率。k可由测定已知浓度碘液的透光率求的。l由式（.142) 、 （.146)可得（.147)t-(lg12kT式中 、 时间 、 时体系的透光率；1T2t可由测定反应体系在不同时刻 的透光率 ,以)12-(lgtkT tTlg对 作图所得直线

5、的斜率求得，如以 m 表示此斜率则t（.148)lkm故式（.143) （.144 ） （.145）可化为（.149)uplgl12（.150)wmrl)(l13（.151)xqlg)(l14由式（.142) （.147)可得 orHpAcklkT)t-(g12即 orHpAtl)-(l12或 （.152)orpAclkm如果能测得两个温度下的反应速率 与 ，据阿伦尼乌斯方程可以1k2估算反应的活化能 aE（.153)1221lg30.kTRa对于复杂反应，当知道反应速率方程的具体形式后，就有可能对反应机理做出某些推测。三、仪器与试剂带恒温装置的 72 型分光光度计 1 台，超级恒温槽 1 台

6、,停表 1 块,容量瓶（50mL ）7 个,移液管（5、10 mL）各 3 支。0.01molL-1标准碘溶液(含质量分数为 2%KI), 1 molL-1标准 HCl溶液，2 molL-1标准丙酮溶液(此三种溶液均用 A.R 试剂配制，均需准确标定 。四、搡作步骤将分光光度计波长调到 500nm 处,然后将恒温用的恒温夹套接恒温槽输出的恒温水恒温夹套见图 II -75 ，并 放人暗箱中。把恒温槽调到 25。将装有蒸馏水的比色皿光径长为 2.0cm放到恒温夹套内,将光路闸门放在“黑”点处，将微电计电源开关旋到 “开”处,调节零位调节器,将光点准确调到透光率标尺的零点，然后闹门放在 “红”点处,

7、调节光量调节器,使微电计光点处于透光率“100”的位置上。反复调整“0”点和“100”点。求 值。在 50ml 吐容量瓶中配制 0.001 molL-1 碘溶液。用少lk量的碘溶液洗比色皿 2 次,再注入 0.001 molL-1 碘溶液，测其透光率 更换碘溶液再重复測定二次，取其平均值，求 值。T lk丙酮碘化反应的速率常数的测定。用移液管分别吸取 0.01 molL-1 标准碘溶液 10、10、10、5ml，注人已编号(14 号)的 4只干净的 50ml 容量瓶中，另取一支移液管分别向 14 号容量瓶内加入 1 molL-1标准 HCl 溶液 5、5、10、5ml（注意依瓶号顺序） ，再分

8、别注人适量的蒸馏水，盖上瓶盖，置于恒温槽中恒温。再取 50ml干净的容量瓶，取少量 2 molL-1 标准丙酮溶液清洗 2 次，然后注入约 50ml 标准丙酮溶液，置于恒温槽中恒温。 再取 50ml 干净的容量瓶，装满蒸馏水，置于恒温槽中恒温。待达到恒温后(恒温时间不能少于 10 min)，用移液管取已恒温的丙酮溶液 10ml，迅速加人 1 号容量瓶,当丙酮溶液加到一半时开动停表计时。用已恒温的蒸馏水将此混合液稀释至刻度，迅速摇匀,用此混合溶液将干净的比色皿清洗多次,然后把此溶液注人比色皿(上述操作要迅速进行 ，测定不同时间的透光率。每隔 2min 测定透光率 1 次,直到取得 10 12 个

9、数据为止。如果透光率变化较大，则改为每隔 1min 记录 1 次。在测定过程中用蒸馏水多次校正透光率“0”点和“100”点。然后用移液管分别取 5、10、10ml 的标准丙酮溶液(已恒温的 ，分别注人 2、3、4 号容量瓶，用上述方法分别测定不同浓度的溶液在不同时间的透光率。 上述溶液的配制如表 II 二 7 所示。在 35下,重复上述实验。但在 35下测定改为每隔 1min 记录 1 次透光率表 I .27 容量瓶号 标准碘溶液ml标准 HCl 溶液 ml标准丙酮溶液ml蒸馏水 ml1 号 10 5 10 252 号 10 5 5 303 号 10 10 10 204 号 5 5 10 30

10、注意事项：碘液见光分解，所以从溶液配制到测量应尽量迅速。因只测定反应开始一段时间的透光率,故反应液混合后应迅速进行测定。计算 时要用到丙酮和酸溶液的初始浓度，因此实验中所用的丙k銅及酸溶液的浓度一定要配准。温度对实验果影响很大，应把反应温度准确控制在鄉雖的0.1代范围之内。五、数据处理求 值。将测得数据填于表 II.28，并用式（.146)计算 值。lk lk2Ic表 II.28透光率 平均值 lk 混合溶液的时间-透光率（表 II.29）恒温温度：表 II.29时间/min1 号 T透 光 率Tlg时间/min透 光 率2 号 Tlg时间/min透 光 率3 号 Tlg时间/min透 光 率

11、4 号 Tlg混合溶液的丙酮、盐酸、碘的初始浓度（表 II.30）表 II.30容量瓶号 molL-1/1Ac molL-1/0Hc molL-1/02Ic1 号2 号3 号4 号用表 II.29 中数据，以 对 作图，求出斜率 m。Tlgt用式（.149)（.151)计算反应级数 p、r 和 q。用式（.152)计算各次实验的 。k及利用 25、35的 计算丙酮碘化反应的活化能k aE文献值a. , , 。1p0q1rb. 反应速率常数（表 II.31）表 II.31t/ )/(dm101-35solkin-0 25 27 350.115 2.86 3.60 8.800.69 1.72 2.

12、16 5.28活化能 。1-a2.86olkJE六、讨论根据动力学实验结果可对丙酮碘化这一复杂反应机理作如下推测（.154)HCO33 )(33CHO( A) (B)（.155)33 33(B) ( A) （.156) HICOHICOHK2323 3（D） (E)因为丙酮是很弱的碱，所以方程（.155)生成的中间体 B 很少，故有（.157)HABcK1 )(1-kK烯醇式 D 和产物 E 的反应速率方程是k1k-1K2k-2 （.158)DIHBDckckdtc)(232-2（.159)23IDEt合并（.157)、 （.158)（、.159)三式，并应用稳定态条件，令 ，得到0dtcD（

13、.160)2321IHAEckKdtc若烯醇式 D 与碘的反应速率比烯醇式 D 与氢离子的反应速率大得多，即 则式（.160)可取以下简单的形式Hck2-3（.161)HAEckKdl21令 ，则式（.161)表示为21k（.162)HAEckdt式（.162)与实验测得结果完全一致，因此上机理可能是正确的。有的教科书以溴水为反应物，但于溴的挥发性和毒性,所以一般多选用碘进行 丙酮卤化反应动力学的測定。七、思考题在本实验中，将丙酮溶液加人含有碘、盐酸的容量瓶时,并不立即开始计时,而注入比色皿时才开始计时,这样做是否可以？为什么？本实验中,将丙酮和酸的浓度视为常数，而实际上是变化的。能否估计出这

14、样能 给反应速率常数测量值带来多大误差？若本实验中原始碘浓度不准确,对实验结果是否有影响？为什么？ 影响本实验结果精确度的主要因素有哪些？八、参考文献1 东北师范大学等编.物理化学实验，第 2 版.北京：高等教育出版社，1998 2 何玉萼等编.物理化学实验.成都：四川大学出版社，19933 复旦大学等编物理化学实验.第 2 版.北京：高等教育出版社，1993九、附录 72 型光电分光光度计 1.原理和构造在光的激发下，物质中的原子和分子往往与光相互作用产生对光的吸收效应。实验证明,对一定波长的光，不同物质有不同的吸收能力。Beer 定律指出,对一定波长的光，溶液中某一物质的浓度与该物质对光的吸收能力互成比例，用数学形式表达为 clI10或 l)I(lg0所以 clE式中-单色光波长为 时的消光值,又称光密度;入射光的强度； 0I透射光的强度；透光率；0I吸收系数，又称消光系数，与吸收光的物质的性质有关；溶液浓度; c溶液层的厚度。 l从上式可以看出，当入射光的吸收系数 和溶液厚度 不变时，l透光率随溶液浓而变化。因此把透过溶液的光线通过测光机构中的光电转换器,将光能转换为电能就可以在測光机构的指示器上读出相应的透光率或光密度，从而推算出溶液的浓度。72 型光电分光光度计就是根据以上理论 设计制造的,可在可见光范围内作分光光度 分析法应用。该仪器的光路系统如图 1