碘钟反应”的反应级数、速率常数和活化能的测定实验报告
化学学院 材化班
一、 实验目的
1、用初速法测定过硫酸根与碘离子的反应速率常数和反应级数。
2、掌握碘钟反应过程及其原理。
二、简要实验原理
在水溶液中，过二硫酸铵与碘化钾发生如下反应[1]：
22284332SOISOI (1)
我们事先同时加入少量的硫代硫酸钠溶液和淀粉指示剂，则(1)式中产生的少量的3I会优先和223SO反应而被还原成I：
222334623SOISOI (2)
这样，当溶液中的硫代硫酸钠全部反应掉后，(1)式生成的碘才会和淀粉指示剂反应，使溶液呈蓝色。由上可知，控制在每个反应中硫代硫酸钠的物质的量均相同，这样从反应开始到出现蓝色的这段时间即可用来度量本反应的初速。
当反应温度和离子强度相同时，(1)式的反应速率方程可写为：
222828[][][]mndSOkSOIdt (3)
根据(1)式中的反应计量关系，可以认为：
22833[][][]dSOdIIdtdtt (4)
根据(2)式的反应计量关系结合硫代硫酸钠的等量假设，可知
2323[]2[]ISOtt (5)
根据(3)(4)(5)可知，
2223282[][][]mnSOkSOIt (6)
移项，两边取对数可得
2282231lnlnln[]ln[]2[]kmSOnItSO (7)
因而固定[]I，以1lnt对228[]SO作图，根据直线的斜率即可求出m；固定228[]SO，同理可以求出n。然后根据求出的m和n，计算出在室温下“碘钟反应”的反应速率常数k。
最后改变温度，测出不同温度下从反应开始到出现蓝色所需的时间t，计算出不同温度下的反应速率常数，由Arrhenius公式，以lnk对1T作图，根据直线的斜率即可求出活化能。
三、主要的实验仪器及试剂
恒温水浴槽一套； 50mL烧杯两个；
玻璃棒一支；
秒表一只；
0.20M4228()NHSO溶液；
0.20MKI溶液；
0.01M223NaSO溶液；
4%淀粉溶液；
0.20M3KNO溶液；
0.20M424()NHSO溶液。
四、实验内容
1、反应级数和速率常数的测定
按照表1所列数据将每组的4228()NHSO溶液、424()NHSO溶液和淀粉溶液放入烧杯A中混合均匀，KI溶液、223NaSO溶液和3KNO溶液放入B烧杯中混合均匀。然后将两份溶液混合，当混合至一半时开始计时，并不断搅拌，当溶液出现蓝色时即停止计时。
表1 “碘钟反应”动力学数据测量的溶液配制表
序号 1 2 3 4 5
0.20M4228()NHSO溶液/mL 10.0 5.0 2.5 10 10.0
0.20MKI溶液/mL 10.0 10.0 10.0 5.0 2.5
0.01M223NaSO溶液/mL 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0
0.4%淀粉溶液/mL 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
0.20M3KNO溶液/mL 0 0 0 5.0 7.5
0.20M424()NHSO溶液/mL 0 5.0 7.5 0 0
2、反应活化能的测定
按照表1中第1组反应的溶液配制方案配制溶液，分别在10.0、30.0和40.0℃下按照3.1中的操作步骤测量溶液出现蓝色所需的时间t并记录，要注意必须先将溶液在相应的水浴槽中恒温一段时间，待溶液温度与恒温槽温度相同后再将溶液进行混合。
五、实验数据的记录
1、反应级数和速率常数测定的数据记录
序号 1 2 3 4 5
(NH4)2S2O8浓度(mol/L) 0.08 0.04 0.02 0.08
0.08
KI浓度(mol/L) 0.08 0.08 0.08 0.04 0.02
Na2S2O3浓度(mol/L) 0.0016 0.0016 0.0016 0.0016 0.0016
时间t/s 26.91 57.54 116.15 53.38 113.97
2、不同温度下反应1时间记录
温度 /℃ 20 30 40
时间t/s 26.91 19.81 9.41
六、实验数据的处理
1、反应级数和速率常数的计算
由5、1数据表格，我们可以依次求出反应级数及数率常数K。
(S2O2-8)反应级数的测定
Ln1/△t与ln(S2O2-8)关系数据表 序号 (S2O2-8)浓度 时间t/s ln(S2O2-8) Ln1/△t
1 0.080 26.91 -2.52573 -3.2925
2 0.040 57.54 -3.21888 -4.05248
3 0.020 116.15 -3.91202 -4.75488
有计算机做出Ln1/△t与ln(S2O2-8)关系图得：
由图可知：Ln1/△t=1.0548ln(S2O2-8)-0.6377,其中相关系数r=0.99897.对比可知1.0548即为
(S2O2-8)的反应级数。
（I-）反应级数的测定
Ln1/△t与ln（I-）关系数据表
序号 （I-）浓度 时间t/s ln（I-） Ln1/△t
1 0.080 26.91 -2.52573 -3.2925
2 0.040 53.38 -3.21888 -3.97744
3 0.020 113.97 -3.91202 -4.73594
由计算机做出Ln1/△t与ln（I-）关系图得：
由图可知：Ln1/△t=1.04122 ln（I-）-0.6504.其中相关系数r=0.99827.对比公式可知n=1.04122,这就是I2的反应级数。
2、反应数率常数的测定
根据公式2223282[][][]mnSOkSOIt
将m、n的值代入，即可算出k的值。
实验数据的处理见下表
序号 1 2 3 4 5
(NH4)2S2O8浓度(mol/L) 0.08 0.04 0.02 0.08 0.08
KI浓度(mol/L) 0.08 0.08 0.08 0.04 0.02
Na2S2O3浓度(mol/L) 0.0016 0.0016 0.0016 0.0016
0.0016
时间t/s 26.91 57.54 116.15 53.38 113.97
反应数率常数k 0.02368
0.023007
0.023677
0.024567
0.02368
K的平均值 0.0263462
由上可知，此反应数率常数为k=0.0263462
3、反应活化能的测定
Lnk对1/T的数据关系见下表：
序号 温度T/K 1/T k lnk
1 293.55 0.003407 0.02368 -3.74312
2 303.45 0.003295 0.032167 -3.43681
3 313.75 0.003187 0.067719 -2.69239
Lnk对1/T由计算机作图得：
由阿伦尼乌斯公式两边取对数得：lnk=lnA-Ea/RT.
线性拟合的结果为lnk=12.471-4781.48/T, 则由此计算出的活化能为Ea=4781.48*8.314=39.752kJ/mol.
七、实验结果讨论
1、温度对实验的影响
显然，温度越高，反应速率越大。且观察发现，随着温度的升高，碘最终与淀粉的显色越深，可能是由于高温下淀粉糊化，支链结构发生改变，影响碘与淀粉的络合。
2、其他因素对实验的影响
反应计时起始时间，搅拌的程度，溶液体积的变化均会对实验结果产生影响。