丙酮碘化的反应速率

Determination of Iodination Rate of Acetone

一、实验目的

(1)验证浓度、温度对反应速率影响的理论。

(2)测定反应级数和速率常数k值。

(3)根据Arrhenius方程式，学会用作图法测定反应活化能Ea。

(4)练习在水浴中保持恒温操作。

二、预习要点

(1)预习确定具有幂函数形式速率方程的化学反应级数的初始速率法。预习求算化学反应速率常数k值的代入法和根据Arrhenius方程式用作图法测定反应活化能Ea的原理。预习恒温水浴槽的工作原理与水银接点温度计的使用方法(见前文)。预习时应注意实验操作中的有关事项: 每次在锥形瓶中最后倒入I2溶液时，应迅速振荡，使反应液混合均匀; 应准确记录碘的颜色刚刚消失时的时间。

(2)思考并回答下列问题:

①要保持总体积为50m L，还要保持H+离子和I2在原来的混合物中的浓度，你怎样使反应混合物中丙酮的物质的量浓度增加一倍?

②为什么在各种不同浓度时的反应速率不同，而速率常数则基本不变?

③影响实验成败的因素有哪些?

三、实验基本原理

在本实验中，我们要研究碘和丙酮之间反应的动力学性质:

推测，上述反应的速率不仅取决于两个反应物的浓度，还依赖于溶液的氢离子浓度。因此，反应速率方程可表示为:

丙酮的碘化是一个颇不寻常的反应，很容易通过实验进行研究。首先，碘有颜色，有利于随着碘浓度的变化进行观察。其次，也是反应非常重要的特性——碘浓度的反应分级数为0。这就意味着由于C0I2=1，只要CI2本身不为0，不管它的值多大，反应速率完全与CI2无关。对此，我们将通过实验来验证。

既然反应速率不依赖于CI2，我们只需将I2作为限制性试剂，加入到大量过量的丙酮和H+离子中，然后测定已知初始浓度的I2完全反应所需的时间。若丙酮和H+的浓度比I2的浓度高得多，它们的浓度在反应过程中就没有明显的变化。根据速率方程，反应速率实际上保持恒定，直到所有的I2完全消失。那时，反应也就停止。在此情况下，如果初始浓度为CI20的溶液的颜色完全消失用去t秒钟，则反应速率就是:

在我们所设的条件下，虽然反应速率在反应进行过程中为一常数，但我们还是可以用改变丙酮或H+离子初始浓度的方法来改变反应速率。例如，如果我们将混合物I中丙酮浓度增加一倍，并保持CH+和CI2原先的数值，那么，混合物Ⅱ的反应速率就跟混合物Ⅰ不同:

这样丙酮的反应分级数m就可求了。用类似的方法，我们还可以求出H+离子的反应分级数P，也能证实I2物质的反应分级数为0。求出各物质的反应分级数之后，我们就可以估算室温下丙酮碘化反应的速率常数k值了。这些即为本实验的主要任务。

测定反应的活化能Ea是本实验的选作部分。根据Arrhenius方程式，速率常数k与温度T、活化能Ea之间有如下关系:

其中R为气体常数(8．314J·K－1·mol·L－1)。测定在不同温度时的k值，以lgk对作图，可得一直线，其斜率为最终可估算出反应的活化能Ea。

四、仪器和试剂

仪器: 温度计，恒温水浴槽，刻度吸管(10m L)，洗耳球，秒表，锥形瓶(125m L)，烧杯(100m L)，量筒(50m L)，试管。

试剂:丙酮(4mol·L－1)，HCl(1mol·L－1)，I2(0．005mol·L－1)，蒸馏水。

五、实验内容

选两个常规试管，倒入蒸馏水后，将试管对准一个白色背景进行俯视时，应出现相同的颜色。

分别取4mol·L－1丙酮、1mol·L－1HCl、0．005mol·L－1I2溶液各50m L，倾入洁净干燥的三个100m L烧杯里，用表面皿盖好。用量筒量取10．0m L浓度为4mol·L－1的丙酮溶液，倒入一个干净的125m L锥形瓶中;再量出10．0m L1 mol·L－1HCl，加到盛有丙酮的锥形瓶里; 再加进20．0m L蒸馏水。倒干量筒，甩出剩余的水，再用它量出0．005mol·L－1I2溶液10．0m L。小心! 不要让碘液溅到手上和衣服上。

用秒表记下时间，准确到1s。将I2液倒入锥形瓶，并迅速振荡，使试剂混合均匀。因为有碘，反应混合物会出现黄色，并且这个颜色随着碘和丙酮的反应而慢慢退去。在一个试管中倒入反应混合物，到试管的3/4处。在另外一支试管中倒入同样高度的蒸馏水，在一张照亮的白纸上俯视试管，记下碘的颜色刚刚消失时的时间，测出试管中反应混合物的温度。

重复上面的实验，用反应过的溶液代替蒸馏水作对照，两次实验所需的时间相差大约在20s之内。

在新的混合物中，应该保持总体积为50m L，而且一定要使H+和I2的浓度和第一个实验中一样。用新的混合物做两次实验，两次反应的时间相差应大约在15s以内，温度变化与第一次反应相比应小于1℃。

再改变反应混合物的组成。这一次对反应的观测，将为你提供关于H+离子的反应分级数的资料。用这种混合物重复上述实验，来确定反应时间。两次实验的时间相差在15s以内，ΔT在1℃以内。求出反应分级数P。

最后，再用一种方法改变反应混合物组成，使你能够证明对I2浓度的反应分级数为0。同样重复测定一次反应速率。

已知反应速率所依据的每种物质的反应分级数，从速率和你所研究的每个混合物的浓度的数据，计算速率常数k。若温差仅在1～2℃之内，则每个反应混合物的k应大致相同。

六、数据记录与结果

实验数据及计算列于下面各表。

1． 反应速率的数据

2．测定丙酮、H+离子和I2的反应分级数

现写出适于反应混合物直及Ⅲ及Ⅳ的速率方程:

vⅢ=

vⅣ=

用混合物Ⅲ、Ⅳ的速率对混合物Ⅰ、Ⅱ的速率的比值，求出H+离子或I2的反应分级数:

3． 测定速率常数k

通过B部分的测定，已知m、P、n，只需将表中的反应级数、起始浓度和测得的速率代入速率方程，便可计算k。

4． 选作: 测定活化能Ea

选择一个你用过的，而且反应时间合适的反应混合物，在恒温水浴槽(见附录三)中测定不同温度下的反应时间。

所用的反应混合物__________

10℃左右的反应时间__________s，温度__________℃

40℃左右的反应时间__________s，温度__________℃

室温时的反应时间__________s，温度__________℃

用C部分中的数据，计算每个温度下的速率常数k:

作出lgk对的图，求出通过各点的最佳直线的斜率。

斜率__________

根据Arrhenius方程

活化能Ea=－2．303×8．314×斜率=__________J

(编者: 王一凡)