实验五 化学反应速率和速率常数的测定 一、预习要点 ①化学反应速率基本概念以及浓度、温度和催化剂对反应速率的影响 ②本实验测定反应速率及速率常数的基本原理、实验方法 二、目的要求 ①了解浓度、温度和催化剂对反应速率的影响 ②测定过二硫酸铵与碘化钾反应的平均反应速率，并计算不同温度下的反应速率常数 三、实验原理 在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应： (NH4)2 S2O8+3KI——(NH4)2SO4+K2SO4+KI3它的离子反应方程式为：S2O8 +3I-——2SO4+I3-因为化学反应速率是以单位时间内反应物或生成物浓度的改变值来表示的，所以上述反应的平均速率为： 式中，△c(S2O82-)为S2O82-在△t时间内浓度的改变值为了测定出△c(S2O82-)，在混合(NH4)2 S2O8和KI溶液时，用淀粉溶液作指示剂，同时加入一定体积的已知浓度的Na2S2O3，这样溶液在反应(1)进行的同时，也进行着如下反应：S2O32-+I3-——S4O62-+3I-反应(2)进行得非常快，几乎瞬间完成，而反应(1)却慢得多，于是由反应(1)生成的碘立刻与S2O32-反应，生成了无色的S4O62-和I-，因此在开始一段时间内，看不到碘与淀粉作用而显示出来的特有的蓝色，但是，一旦Na2S2O3耗尽，则继续游离出来的碘，即使是微量的，也能使淀粉指示剂变蓝。
所以蓝色的出现就标志着反应(2)的完成 从反应方程式(1)和(2)的关系可以看出，S2O82-浓度的减少量等于S2O32-减少量的一半，即： 因为S2O32-在溶液显蓝色时几乎完全耗掉，故△c(S2O32-)实际上就等于反应开始时Na2S2O3的浓度，由于本实验中的每份混合溶液只改变(NH4)2S2O8和KI的浓度，而使用的Na2S2O3的起始浓度都是相同的，因此到蓝色出现时已耗去的S2O82-即△c(S2O82-)也都是相同的这样只要记下从反应开始到溶液出现蓝色所需要的时间(△t)，就可以求算在各种不同浓度下的平均反应速率 实验证明：过二硫酸铵与碘化钾的反应速率和反应的浓度的关系如下：k式中的为反应速率常数，c(S2O82-)和c(I-)分别为两种离子的初始浓度(mol·L-1)，利用(3)即可求算出反应速率常数k值 四、实验用品 量筒(10mL)，烧杯(50mL)，秒表，温度计(0～100℃) KI(0.20mol·L-I)，Na2S2O3 (0.010mol·L-1)，淀粉溶液(2g／L)，(NH4)2 S2O8 (0．20mol·L-1)，KNO3(0.20mol·L-I))，(NH4)2SO4(0.20mol·L-1)，Cu(NO3)2 (0.020mol·L-1)，冰。
五、实验步骤 (一)浓度对反应速率的影响 ①用量筒 (每个试剂所用的量筒都要贴上标签，以免混乱)准确量取10.0mL0.20mol·L-1KI溶液，2.0mL 2g／L的淀粉溶液与4.0mL 0.010mol·L-1 NaS2O3溶液于50mL烧杯中混合均匀 ②用量筒准确量取10.0mL 0.20mol·L-1(NH4)2 S2O8溶液迅速加到烧杯中，同时按动秒表并将溶液搅拌均匀观察溶液，刚一出现蓝色，即迅速停止计时，将反应时间计入表5—4中 用上述方法参照表5—4重复进行实验编号2～5，为了使溶液的离子强度和总体积保持不变，在2～5实验编号中所减少的(NH4)2 S2O8或KI的用量可分别用0.20mol·L-1 (NH4)2SO4和0.20mol·L-1 KNO3来补充[注意：在进行实验2、3、4、5时，为避免因有一部分溶液残留在量筒因而影响实验结果，可将(NH4)2SO4溶液先加到(NH4)2 S2O8溶液中，或将KNO3溶液先加到KI溶液中进行冲稀，然后再一起加进烧杯中] 根据表5—4中各种试剂的用量，计算实验中参加反应的试剂的起始浓度及反应速率常数，逐一填入表5—4的空格内。
(二)温度对反应速率的影响 ①在50mL烧杯中加入5.0mL0.20mol·L-1KI溶液，2.0mL 2g／L淀粉溶液，4.0mL 0.010mol·L-1 Na2S2O3溶液和5.0mL0.20mol·L-1 KNO3溶液 ②在另一个50mL烧杯中加入10.0mL 0.20mol·L-1(NH4)2 S2O8溶液 ③将烧杯放在冰水浴中冷却，待两种试液均冷却到室温下10℃时，把(NH4)2 S2O8试液迅速倒入盛混合液的烧杯中，立即按动秒表并用玻璃棒将溶液搅拌均匀，观察到溶液刚出现蓝色即停止计时，将反应时间和温度记录在表5—5中(编号为6) ④室温下重复上述实验(与实验编号4相同)，将反应时间和温度记录在表5—5中(编号为7) ⑤在高于室温10℃条件下重复上述实验，将盛有试液的烧杯放人温水浴中升温，温水浴采取冷水与热水相混的办法制成，待温水浴温度高于室温12～13℃时，让其自然降温，指示液温度高于室温10℃时，将(NH4)2S2O8溶液加入混合液中，计时，搅拌，将时间和温度记录在表5—5中(编号为8) 根据反应时间计算三个温度下的速率常数，并填入表5—5中。
(三)催化剂对反应速率的影响 ①在50mL烧杯中加入5.0mL0.20mol·L-1KI溶液，2.0mL 2g／L淀粉溶液，4.0mL 0.010mol·L-1Na2S2O3溶液和5.0mL0.20 mol·L-1 KNO3溶液 ⑦将10.0mL 0.20mol·L-1(NH4)2S2O8溶液迅速加到上述烧杯中，同时计时和搅拌，至溶液出现蓝色时为止将以上实验时的反应时间以及前面实验7的结果一起记入表5—6中进行比较 表5-4 (NH4)2 S2O8和KI的浓度对反应速率的影响项目实验编号12345试剂用量/mL0.20mol·L-1KI10.010.0 10.05.02.52g／L2.02.02.02.02.00.010mol·L-1Na2S2O34.04.04.04.04.00.20 mol·L-1 KNO3///5.07.50.20mol·L-1(NH4)2 SO4/5.07.5//0.20mol·L-1(NH4)2S2O810.05.02.510.010.0试剂起始浓度(NH4)2 S2O8KINa2S2O3反应时间△t/s速率常数k表5-5温度对反应速率的影响实验编号反应温度/℃反应时间t/s反应速率常数k678表5-6 催化剂对反应速率的影响实验编号加入0.020mol·L-1Cu(NO3)反应时间t/s7092 (四)记录和结果总结以上三部分的实验结果说明各种因素(浓度、温度、催化剂)如何影响反应速率。
六、问题讨论①在向KI、淀粉和Na2S2O3混合溶液中加(NH4)2S2O8时，为什么必须越快越好?②在加入(NH4)2S2O8时，先计时后搅拌或先搅拌后计时，对实验结果各有何影响?1实验报告b。