化学反应速率实验体系的探索与尝试（四）

发布时间：2021-06-22 19:22 编辑者：特邀作者余秀梅

由表7数据计算可知，组别e在30.2℃时的反应速率常数k的相对平均偏差为26.59%，实验误差很大。分析原因可能是反应溶液浓度过低，Na2S2O3很快消耗完全，计时过少导致误差相对增大。由此可知K2S2O8-KI体系所用试剂需维持一定浓度，以降低计时误差。该实验体系中可推荐组别d为教学实验，因为此组实验的反应时间长短适宜，实验数据误差小，试剂消耗量低，产生含碘废液少。
由表8数据计算可知，除了组别e之外，各组别计算反应活化能与理论值的相对偏差不大于3.82%，证明K2S2O8-KI体系所得实验数据准确可靠，可重复性高，实验效果好。这是由于K2S2O8溶液常温下不会发生分解，移液管量取体积准确，从而减少了实验误差。由表中数据还可以看出，实验温度对反应速率影响很大，当温度较低时，溶液变蓝用时很长，这时平均反应速率近似为瞬时反应速率时误差相应增大。而且，K2S2O8的溶解度随温度变化明显，在较高浓度下随温度降低极易析出晶体，影响反应速率测定，因此建议K2S2O8的浓度不宜超过0.10 mol·L-1，计算活化能时选择的实验温差控制在低于或高于室温10℃即可，但同时需要保证反应体系恒温。
由表9数据可知，催化剂对反应速率有重大影响。在相同反应物浓度下，例如组别a与组别b，加入Cu(NO3)2的量相同，都是3滴，但组别a的反应物体积是组别b的2倍，则K2S2O8-KI体系的反应速率有明显区别。组别a的反应时间大约是组别b的2倍，与体积比一致。对于相同浓度相同体积的组别，例如组别d，加入2滴与加入3滴Cu(NO3)2反应速率大大不同，因此该组实验对催化剂加入量需严格控制，一滴催化剂之差，实验结果谬以千里。在反应物浓度较低的情况下，例如组别e，催化剂对反应速率的影响大大降低。这可能是因为，与d组相比虽然催化剂浓度未变，但稀溶液中催化剂接触反应物的机会减少，因此对反应速率的影响变小。

3. FeCl3-KI反应体系实验效果分析

对于Fe Cl3-KI反应体系，由于Fe Cl3自身有颜色，不宜采用高浓度溶液。对比不同浓度下Fe Cl3溶液的颜色深浅，认为其选择的反应浓度最好不高于0.1 mol·L-1，本实验采用0.05 mol·L-1的Fe Cl3溶液进行实验测定。实验数据见表10至表12。为与K2S2O8-KI体系相区别，不同组的Fe Cl3-KI反应体系分别记为组别(1)、(2)。
由表10数据可以看出，虽然Na2S2O3溶液的体积加入量增加到了9.0 m L，但该反应体系在Na2S2O3消耗完全时反应时间仍然很短，导致计时误差较大，进而造成反应速率常数k的相对平均偏差达6.82%，需对反应物浓度做出调整。
当保持反应物Fe Cl3与KI原始浓度不变，恒定Na2S2O3溶液的体积加入量，降低Fe Cl3与KI的反应体积时，得到表11中的实验数据。由表中数据可以看出，各组反应时间得到相应延长，反应速率常数k的相对平均偏差为10.35%，误差仍然较大。
观察表12中的数据发现，Cu(NO3)2作为催化剂对Fe Cl3-KI体系仍起一定作用，加入后反应时间缩短。同时可以看出，温度变化对Fe Cl3-KI体系反应速率影响巨大，组别(2)中降低的温度与组别(1)基本相近，但反应时间达到881.50 s，因本实验将反应开始一段时间内的平均速率近似看作初始瞬时速率，太长的反应时间势必会造成实验误差相应增大，从这一层面上看，Fe Cl3-KI体系缺陷较大。同时由于Fe Cl3与KI反应速率常数k较大，且Fe Cl3自身具有颜色，或多或少会影响实验终点的判定，因此可以得出K2S2O8-KI体系比Fe Cl3-KI体系在该实验中更具优势的结论。建议化学反应速率实验中优先采用K2S2O8-KI体系组别d的数据。