化学反应速率实验体系的探索与尝试（一）

针对化学反应速率实验中存在的一些问题，譬如试剂易变质，产生废液多，体积量取误差大等情况，选择两种体系进行实验探索。研究发现，温度与催化剂对反应速率影响极大，实验过程中须严格控制催化剂加入量，恒定实验温度至高于或低于室温10℃左右即可。推荐了一种实验效果良好的反应体系，结果表明，该体系反应速率常数的相对平均偏差仅为1.45%，活化能的相对偏差仅为1.52%，且试剂消耗量低，产生含碘废液少，符合实验室绿色化要求。

化学反应速率与化学平衡实验是高等院校最常开设的无机实验之一，该实验内容经典、操作基本、所占学时适宜，在我校理工科专业中被广泛采用。经过多年的教学实践发现，该实验存在以下问题，需要逐一解决。其一，原实验曾采用KIO3与Na HSO3实验体系，因KIO3试剂的成本日益高涨转而以（NH4)2S2O8与KI替代。更换成（NH4)2S2O8体系后实验成本得到降低，但该试剂配成溶液后在常温下分解比较严重，浓度在0.20mol·L-1时只能保存2～3天，为保障实验效果经常需要现用现配。在实验室高负荷运转状态下，准备实验时极易出现不协调状况并会造成试剂的浪费。同时，在化学反应速率实验中试剂用量较大，产生含碘废液多，不符合实验室绿色化要求，需要对实验体系作进一步改进并力求减少试剂用量。其二，溶液的量取通常采用量筒操作，某些学生为赶速度会忽略规范操作，导致溶液体积误差较大，使得实验数据测量不准确。其三，实验过程中以玻璃棒搅拌溶液，玻璃棒与烧杯壁会发生持续碰撞，致使烧杯磨损严重。

针对以上问题，总结前人经验，教学团队选择在常温下以比较稳定的K2S2O8和Fe Cl3溶液为氧化剂，分别与其他试剂组成两种体系进行实验效果对比，以期找出更合适的实验体系。

一、实验方案的选择与原理

化学反应速率反映的是单位时间内反应物的浓度变化值，它取决于反应物的性质、浓度，反应温度及催化剂等因素。在水溶液中，K2S2O8与KI发生的反应和（NH4)2S2O8与KI发生的反应相似，此处不再赘述。而对于Fe Cl3与KI的反应方程式可表示为：

该反应的反应速率与反应物浓度的关系为：

式（2）中：Δc(Fe3+）为Fe3+在Δt时间内的浓度改变值；c(Fe3+）、c(I-）为两种离子的起始浓度；k为该反应的反应速率常数；v是反应的平均速率。

式（2）表示的是该反应在开始一段时间内的平均反应速率，可近似看作该反应的起始速率。为测定在一段时间Δt内的Δv(Fe3+），在将KI与Fe Cl3溶液相混合的同时，体系中加入了一定体积已知浓度的Na2S2O3和淀粉溶液，这样在反应（1）进行的同时，体系中还进行着如下反应：

该反应的反应速率远远大于反应（1），当反应（1）中生成I3-时会立即被S2O32-消耗掉，转而生成无色的S4O62-与I-。当Na2S2O3反应完全，反应（1）生成的微量I3-立即与淀粉发生作用，使溶液呈现蓝色，并随I3-离子的增多溶液蓝色逐渐加深。由两个反应式的计量关系可以看出，Fe Cl3与Na2S2O3为1∶1的计量关系，即：

当溶液呈现蓝色时S2O32-已全部耗尽，所以Δc(S2O32-）即S2O32-的起始浓度。每次只改变混合溶液中的反应物之一Fe Cl3或KI的浓度，保持Na2S2O3的起始浓度相同，即每组溶液到蓝色出现时的Δc(S2O32-）相同，准确记录溶液从反应开始到溶液出现蓝色所用的时间Δt，则Fe Cl3与KI的反应速率可表示为：

进而可计算出该反应的反应级数、反应速率常数和活化能。当保持c(I-）不变时，Fe Cl3的反应级数为：

当保持c(Fe3+）不变时，KI的反应级数为：

从而反应速率常数为：

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