化學(xué)反應(yīng)速率和活化能

1、實(shí)驗(yàn)一 化學(xué)反應(yīng)速率和活化能一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解濃度、溫度和催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。2.測(cè)定過(guò)二硫酸銨與碘化鉀反應(yīng)的速率，并計(jì)算反應(yīng)級(jí)數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)的活化能。二、知識(shí)介紹我們學(xué)習(xí)化學(xué)是離不開探討化學(xué)反應(yīng)的。那么我們探討化學(xué)反應(yīng)應(yīng)該從哪些方面入手呢？特別是應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)，我們主要從兩個(gè)方面來(lái)探討化學(xué)反應(yīng)：a.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和能夠達(dá)到的最大限度以及外界條件對(duì)平衡的影響，該問(wèn)題是熱力學(xué)問(wèn)題；b.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的速率和化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，該問(wèn)題是動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。我們今天的實(shí)驗(yàn)就是解決第二個(gè)問(wèn)題。1.化學(xué)反應(yīng)速率一個(gè)化學(xué)反應(yīng)開始后，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)物的量不斷降低，生成物的量不斷增加?；瘜W(xué)反應(yīng)

2、速率的大小就是用這兩個(gè)變化的量來(lái)表示。在一定條件下，單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中反應(yīng)物或生成物的量的變化來(lái)表示反應(yīng)速率，亦即采用反應(yīng)物濃度或生成物濃度的變化速率來(lái)表示反應(yīng)速率。反應(yīng)速率用符號(hào)v表示，單位是mol/L·s、mol/L·min、mol/L·h。2.化學(xué)反應(yīng)速率的表示方法在具體表示反應(yīng)速率時(shí)，可選擇參與反應(yīng)的任一物質(zhì)(反應(yīng)物或生成物)，但一定要注明。 aA + bB cCv(A)=c(A)/t v(B)=c(B)/t v(C)=c(C)/t式中t表示時(shí)間間隔，c(A)、c(B)和c(C)分別表示在t期間內(nèi)反應(yīng)物以及生成物的濃度變化。當(dāng)用反應(yīng)物濃度變化表示反應(yīng)速

3、率時(shí)，由于其濃度變化為負(fù)值（隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)物在不斷被消耗），為使速率為正值，在濃度變化前加負(fù)號(hào)。 此處的v是單位體積內(nèi)反應(yīng)進(jìn)度隨時(shí)間的變化率，即瞬時(shí)速率。3.化學(xué)反應(yīng)速率理論反應(yīng)速率理論對(duì)研究化學(xué)反應(yīng)速率的快慢及其影響因素是十分重要的。分子碰撞理論和過(guò)渡狀態(tài)理論是其中兩種重要的理論。分子碰撞理論a.分子碰撞理論的要點(diǎn)首先認(rèn)為反應(yīng)物分子必須相互碰撞才能發(fā)生反應(yīng)。b.有效碰撞和活化能分子間發(fā)生反應(yīng)的碰撞叫做有效碰撞（這是反應(yīng)的必要條件）。能量比一般分子的平均能量高出一定值的分子稱為活化分子?；罨肿泳哂械淖畹湍芰亢头肿悠骄芰恐罘Q為活化能。過(guò)渡狀態(tài)理論當(dāng)具有較高能量的分子彼此以適當(dāng)?shù)娜∠蛳嗷?/p>

4、靠近到一定程度時(shí)，電子云便可相互靠近重疊而形成一種活化配合物?；磻?yīng)：反應(yīng)物分子在碰撞中一步直接轉(zhuǎn)化為生成物分子的反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)：由若干個(gè)基元反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為生成物的反應(yīng)。其中，這些基元反應(yīng)代表了反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑，也就是反應(yīng)機(jī)理或反應(yīng)歷程。許多化學(xué)反應(yīng)不是基元反應(yīng)，而是由兩個(gè)或多個(gè)基元步驟完成的復(fù)雜反應(yīng)。而決定化學(xué)反應(yīng)速度的是其中反應(yīng)速度最慢的基元反應(yīng)。質(zhì)量作用定律基元反應(yīng)的速率與反應(yīng)物濃度的方次乘積成正比，其中各濃度的方次是反應(yīng)式中各相應(yīng)物質(zhì)的系數(shù)。又稱為反應(yīng)速率方程式 aA + bB 反應(yīng)物 v=kAaBb上式中k為速率常數(shù)。該定律只適于基元反應(yīng)。在表述動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。a.

5、若是稀溶液中的溶劑也作為反應(yīng)物的反應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)方程中可以不標(biāo)出溶劑的濃度。因?yàn)槿軇┑牧亢艽?，反?yīng)中消耗的量很小,可將溶劑看作不變的量，并入速率常數(shù)中。b. 固態(tài)物質(zhì)為反應(yīng)物的反應(yīng),可將固態(tài)物質(zhì)的濃度看作常數(shù),不必在動(dòng)力學(xué)方程中標(biāo)出。c. 氣態(tài)反應(yīng)物的反應(yīng)，在動(dòng)力學(xué)方程中以氣態(tài)物質(zhì)的分壓來(lái)代替其濃度。4.反應(yīng)級(jí)數(shù)在反應(yīng)速率方程式中，各反應(yīng)物濃度的指數(shù)之和(ab)稱為該反應(yīng)級(jí)數(shù)。5.影響反應(yīng)速率的因素濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響在一定溫度下，增加反應(yīng)物的濃度可以增大反應(yīng)速率。這個(gè)現(xiàn)象可用碰撞理論進(jìn)行解釋。因?yàn)樵诤愣ǖ臏囟认?，?duì)某一化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō)，反應(yīng)物中活化分子組的百分?jǐn)?shù)是一定的。增加反應(yīng)物濃度時(shí)，單位

6、體積內(nèi)活化分子組數(shù)目增多，從而增加了單位時(shí)間內(nèi)在體積中反應(yīng)物分子有效碰撞的頻率，故導(dǎo)致反應(yīng)速率加大。溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)物濃度恒定時(shí)，溫度每升高10K反應(yīng)速率大約擴(kuò)大23倍。由于溫度升高，可使分子的平均動(dòng)能增加，活化分子組的百分?jǐn)?shù)增大，有效碰撞的百分?jǐn)?shù)增加，使反應(yīng)速率大大地加快。阿侖尼烏斯公式： 催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響催化劑能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速率，但本身在反應(yīng)前后的組成和質(zhì)量都不變化的物質(zhì)。催化劑的加入降低了化學(xué)反應(yīng)的活化能，從而使體系中具有有效碰撞所需要的能量的分子的百分?jǐn)?shù)增加，即有效碰撞的次數(shù)，導(dǎo)致反應(yīng)速率增大。注意：未作特殊說(shuō)明的催化劑指正催化劑，負(fù)催化劑

7、又叫阻催化劑（減慢化學(xué)反應(yīng)速率）。6. 化學(xué)反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定化學(xué)分析法化學(xué)方法是在某一時(shí)刻取出一部分物質(zhì)，并設(shè)法迅速使反應(yīng)停止然后進(jìn)行化學(xué)分析。物理方法物理方法是在反應(yīng)過(guò)程中對(duì)某一種與物質(zhì)濃度有關(guān)的物理量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。獲得一些反應(yīng)信息。利用的物理性質(zhì)和方法有測(cè)定壓力、體積、旋光度、折射率、吸收光譜、電導(dǎo)、電動(dòng)勢(shì)、介電常數(shù)、粘度、導(dǎo)熱率或進(jìn)行比色等。對(duì)于不同的反應(yīng)可選用不同的方法和儀器，如色譜、質(zhì)譜、色-質(zhì)聯(lián)用、紅外及磁共振譜等。由于物理方法不是直接測(cè)量濃度的，所以首先需要知道濃度與這些物理量之間的依賴關(guān)系，當(dāng)然最好是選擇與濃度變化呈線性關(guān)系的一些物理量。三、基本原理測(cè)定化學(xué)反應(yīng)速率，必須是我

8、們?nèi)搜勰軌蛴^察到的，所以利用淀粉與碘的顯色反應(yīng)來(lái)完成測(cè)定。在水溶液中(NH4)2S2O8和KI發(fā)生如下反應(yīng)： (NH4)2S2O8 + 3KI (NH4)2SO4 +K2SO4 + KI3 （1） S2O82 + 3I 2SO42 + I3反應(yīng)速率，可表示為： v = k S2O82m In式中v是在此條件下反應(yīng)的瞬間速率。若 S2O82， I是起始濃度，則v表示起始速率。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速率是在一段時(shí)間（t）內(nèi)反應(yīng)的平均速率v。如果在t時(shí)間內(nèi) S2O82濃度的改變?yōu)?S2O82，則平均速率為： v= S2O82/t（負(fù)號(hào)的含義：反應(yīng)物濃度降低）我們用平均速率近似地代替起始濃度。為了測(cè)出反應(yīng)在t內(nèi)

9、S2O82濃度的改變值，要在混合的(NH4)2S2O8和KI溶液中加入一定體積和濃度的Na2S2O3溶液，這樣在反應(yīng)（1）進(jìn)行的同時(shí)還進(jìn)行下面反應(yīng)： 2S2O32 + I3 S4O62 + 3I （2）這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行得非?？?，幾乎瞬間完成，而反應(yīng)(1)比（2）慢得多。因此，由反應(yīng)(1)生成的I3立即與S2O32反應(yīng)，生成無(wú)色的S4O62和I，當(dāng)S2O32耗盡時(shí)，則出現(xiàn)蘭色。由于從反應(yīng)開始到蘭色出現(xiàn)，標(biāo)志S2O32全部耗盡時(shí)，所以在這段時(shí)間（t）里，S2O32濃度改變S2O32實(shí)際上就是起始濃度。從反應(yīng)(1)和(2)可見：1mol(NH4)2S2O8 相當(dāng)于1molI3，相當(dāng)于2molNa2S2O

10、3，即： S2O82=S2O32/2通過(guò)改變S2O82和I的初始濃度，測(cè)定消耗等量的S2O82的物質(zhì)的量濃度所需的不同時(shí)間間隔，即計(jì)算出反應(yīng)物不同初始濃度的初速率，確定出速率方程和反應(yīng)速率常數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響在室溫條件下進(jìn)行編號(hào)的實(shí)驗(yàn)。用量筒分別量取20.0ml 0.20mol/L KI溶液，8.0m l0.010mol/LNa2S2O3溶液和2.0ml 0.20mol/L0.4%淀粉溶液，全部注入燒杯中，混合均勻。然后用另一量筒取20.0ml 0.2mol/L(NH4)2S2O8溶液，迅速倒入上述混合溶液中，同時(shí)開動(dòng)秒表，并不斷攪拌，仔細(xì)觀察。當(dāng)溶液剛出現(xiàn)蘭色時(shí)，立

11、即按停秒表，記錄反應(yīng)時(shí)間和室溫。用同樣方法完成編號(hào)，的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)編號(hào)試劑用量(ml)0.20mol/L(NH4)2S2O80.20mol/LKI0.010mol/LNa2S2O30.4%淀粉0.20mol/LKNO30.20mol/L(NH4)2SO4反應(yīng)物起始濃度(NH4)2S2O8KINa2S2O3反應(yīng)時(shí)間t(s)S2O82濃度變化S2O82mol/L反應(yīng)速率v2.溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響按上表實(shí)驗(yàn)中的藥品用量，將裝有KI，Na2S2O3，KNO3和淀粉混合溶液的燒杯和裝有(NH4)2S2O8溶液的小燒杯，放在冰水浴中冷卻，待溫度低于室溫10時(shí)，將兩種溶液迅速混合，同時(shí)計(jì)時(shí)并不斷攪拌，出現(xiàn)

12、蘭色時(shí)記錄反應(yīng)時(shí)間。用同樣方法在熱水浴中進(jìn)行高于室溫10時(shí)的實(shí)驗(yàn)。將此兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記入下表中進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)編號(hào)反應(yīng)溫度（）反應(yīng)時(shí)間t（s）反應(yīng)速率v3.催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響按上表實(shí)驗(yàn)中的藥品用量，把KI，Na2S2O3，KNO3和淀粉混合溶液加到150ml燒杯中，再加入2D0.02mol/LCu(NO3)2溶液，攪拌，然后迅速加入(NH4)2S2O8溶液，攪拌，計(jì)時(shí)。將此實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)速率與表中實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)速率進(jìn)行比較。五、數(shù)據(jù)處理1.反應(yīng)級(jí)數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算將反應(yīng)速率表示式：v=kS2O82mIn兩邊取對(duì)數(shù)： lg=mlgS2O82+nlgI+lgk當(dāng)I不變時(shí)（即實(shí)驗(yàn)，），以

13、lgv對(duì)lgS2O82作圖，可得一直線，斜率即為m。同理，當(dāng)S2O82不變時(shí)（即實(shí)驗(yàn)，），以lgv對(duì)lgI作圖，可得一直線，斜率即為n。該反應(yīng)級(jí)數(shù)為m+n。將m、n代入 v=kS2O82mIn，即可求反應(yīng)速率常數(shù)k。將數(shù)據(jù)填入下表：實(shí)驗(yàn)編號(hào)lgvlgvS2O82lgImnk2.反應(yīng)活化能的計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)k與反應(yīng)溫度T的關(guān)系： lgk=AEa/2.303RT式中Ea為活化能，R氣體常數(shù)（8.314J·mol1·K1），T為熱力學(xué)溫度。測(cè)定出不同溫度時(shí)的k值，以lgk對(duì)1/T作圖，由直線的斜率（Ea/2.303R）可求Ea。將數(shù)據(jù)填入下表：實(shí)驗(yàn)編號(hào)klgk1/TEa六、存在的

14、問(wèn)題和注意事項(xiàng)：1.量筒取藥品不得混用，做好標(biāo)記，KI、Na2S2O3、淀粉、KNO3、(NH4)2SO4可使用同一個(gè)量筒量取，(NH4)2S2O8必須單獨(dú)使用一個(gè)量筒。2.KI、Na2S2O3、淀粉、KNO3、(NH4)2SO4混合均勻后，最后將(NH4)2S2O8溶液迅速倒入上述混合液中（防止過(guò)二硫酸銨與硫代硫酸鈉相互作用），同時(shí)啟動(dòng)秒表，并且攪拌，溶液剛出現(xiàn)藍(lán)色立即按停秒表。溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響時(shí)，先將各試劑混合，KI、Na2S2O3、淀粉、KNO3、(NH4)2SO4混合液和(NH4)2S2O8溶液要分別浴加熱至一定溫度后再合并。3. 恒溫箱溫度與反應(yīng)溶液溫度略有差別，不可低于室溫。從室溫依次升高至預(yù)定溫度再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。溫度大致依次升高10、15、20，不一定很準(zhǔn)確，只需準(zhǔn)確記錄實(shí)際反應(yīng)的溫度，代入計(jì)算即可。4. 本實(shí)驗(yàn)對(duì)試劑有一定的要求。KI溶液應(yīng)為無(wú)色透明，不可使用有單質(zhì)碘析