科目
科目
科目
科目：
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：普通化學實驗
：
普通化學實驗
普通化學實驗
普通化學實驗
題目
題目
題目
題目：
：
：
：Chemical Kinetics (反應速率
反應速率
反應速率
反應速率)
系級
系級
系級
系級：
：
：醫學系一年級
：
醫學系一年級
醫學系一年級
醫學系一年級
組別
組別
組別
組別：
：
：第
：
第
第 28 組
第
組
組
組
作者
作者
作者
作者：
：
：曾士剛
：
曾士剛
曾士剛 B101099101
曾士剛
實驗日期
實驗日期
實驗日期
實驗日期：
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：2010 年
年
年 11 月
年
月
月
月 04 日
日
日
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目錄：
一
一
一
一、
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、
、實驗動機與目標
實驗動機與目標
實驗動機與目標：
實驗動機與目標
：
：...P1
：
...P1
...P1
...P1
二
二
二
二、
、
、
、實驗原理與原則
實驗原理與原則
實驗原理與原則：
實驗原理與原則
：
：...P1
：
...P1
...P1
...P1
三
三
三
三、
、
、
、實驗材料與步驟
實驗材料與步驟
實驗材料與步驟：
實驗材料與步驟
：
：...P
：
...P
...P1111
...P
四
四
四
四、
、
、
、實驗數據紀錄表
實驗數據紀錄表
實驗數據紀錄表：
實驗數據紀錄表
：
：...P
：
...P
...P2222
...P
五
五
五
五、
、
、
、實驗
實驗
實驗問題與
實驗
問題與討論
問題與
問題與
討論
討論：
討論
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：...P
...P
...P4444
...P
六
六
六
六、
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、
、參考資料與文獻
參考資料與文獻
參考資料與文獻：
參考資料與文獻
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：...P
...P
...P5555
...P
一
一
一
一、
、
、
、實驗動機與目標
實驗動機與目標
實驗動機與目標：
實驗動機與目標
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秒表反應是高中時，幾個最具代表性的化學實驗，因為它同時可以觀察到濃 度與溫度對反應速率的影響，而且它呈色明顯且過程幾乎是瞬間，在時間判定上 的誤差也可以降至最低。但是在高中時，僅紀錄反應的時間並觀察趨勢，並沒有 再進行深入的探討，而以下就是在此次的實驗中，我們欲達到並討論的目標： (1) 學習此次實驗中相關的化學反應。 (2) 熟悉並熟練微量吸管的使用方法與注意事項。 (3) 研究濃度此一影響反應速率的因子，決定反應級數與反應速率常數值。 (4) 尋找一個剛好在 15.0 秒反應完成的配方。二
二
二
二、
、
、
、實驗原理
實驗原理
實驗原理與原則
實驗原理
與原則
與原則
與原則：
：
：
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(1) 相關的化學方程式：Step1. IO3-(aq) + 3 HSO3-(aq) → I-(aq) + 3 SO42-(aq) + 3 H+(aq)
Step2. 5 I-(aq) + IO3-(aq) + 6 H+(aq) → 3 I2(aq) + 3 H2O(l)
Step3. I2(aq) + HSO3-(aq) + H2O(l) → 2 I2(aq) + SO42-(aq) + 3 H+(aq)
∴當 HSO3-尚存時，I2便無法生成 (2) 澱粉可與 I3-生成藍色錯合物。∴以澱粉為指示劑，藍色出現時，代表 HSO3 -消耗完畢。(濃度 I3-僅需 10-6即可呈色，所以變色時間≒消耗完的時間) (3) 以碼表紀錄反應時間，可計算出 HSO3-消耗的速率，並計算反應速率： 反應速率 = k [HSO3-] m [IO3-] n
三
三
三
三、
、
、
、實驗材料與步驟
實驗材料與步驟
實驗材料與步驟：
實驗材料與步驟
：
：
：
(1) IO3-(aq) 濃度與反應速率： a. 0.100 M NaHSO3 (含澱粉液) 以及 0.05 M KIO3 (老師準備) b.重要實驗器材：碼表、試管、微量吸管和 24-well plate。 (2) HSO3-(aq) 濃度與反應速率： a.取三支乾淨的試管，分別標上 、 、 。 b.於三支試管中分別加入約 8 mL 0.05 M KIO3、8 mL 0.100 M NaHSO3 和 8 mL dis-H2O。c.在乾淨的 24-well plate 選出四「排」well，依照下表加入藥品：
第一排 第二排 第三排 第四排 dis-H2O 100 μL 500μL 700μL 800μL KIO3 800 μL 400μL 200μL 100μL d.選定一個 well 加入 100 μL 0.100 M NaHSO3，並開始記錄時間。 ※每一次實驗僅取一個 well，不然會過於混亂。 e.出現藍色時停止計時，記錄數據於表(三)，求平均並繪圖。 ※應該是瞬間突然變色，若非如此，表示未充分混合，該數據不予紀錄， 並且重新操作。 ( 表 一) 配 方
(3) IO3-(aq) 濃度與反應速率：
a.取三支乾淨的試管，分別標上 、 、 。
b.於三支試管中分別加入約 5 mL 0.05 M KIO3、5 mL 0.100 M NaHSO3
和 5 mL dis-H2O。
c.在乾淨的 24-well plate 選出三「排」well，依照下表加入藥品：
第一排 第二排 第三排 dis-H2O 400 μL 300μL 450μL NaHSO3 100 μL 200μL 50μL d.選定一個 well 加入 500 μL 0.05 M KIO3，並開始記錄時間。 ※每一次實驗僅取一個 well，不然會過於混亂。 e.出現藍色時停止計時，記錄數據於表(四)，求平均並繪圖。 ※應該是瞬間突然變色，若非如此，表示未充分混合，該數據不予紀錄， 並且重新操作。 ※微量吸管 (micropipette) 使用方法與注意事項： -tip的大小要選擇正確。 -吸取時僅押一段後即輕輕放開，加入藥品時則要押兩段。 -吸取時不可過頭，若液體不小心吸入吸管內，會造成毀損。 -吸取時要注意 tip 中沒有氣泡，確保體積的正確性。 -刻度旋轉時不可超過其上限與其下限體積。 (3) 15.0秒配方： a. 由以上的實驗數據，推論反應時間在 15.0 秒的配方，記錄於表(五)。 b. 依此比例在試管中加入藥品，並記錄實際時間。 c. 找到 15.0 秒的配方後，到準備室前由老師記時評分。
四
四
四
四、
、
、
、實驗數據紀錄
實驗數據紀錄
實驗數據紀錄表
實驗數據紀錄
表
表
表：
：
：
：
Chemical Kinetics
實驗結果
Part 1. Variation of Rate with Concentration of lodate
Concentration of HSO3- stock solution is __0.100__ M
Concentration of IO3- stock solution is __0.050__ M
[HSO3-] (10ିଶ M) [IO3-] (10ିଶ M) Time Trial1 (s) Time Trial2 (s) Time Trial3 (s) Mean (s) SD (s) Mean-1 (s-1) 1 1.00 4.00 8.87 8.66 8.53 8.69 0.172 0.115 2 1.00 2.00 15.84 16.67 16.42 16.31 0.426 0.0613 3 1.00 1.00 34.78 35.67 34.58 35.01 0.580 0.0286 4 1.00 0.500 88.54 80.47 84.01 84.37 4.04 0.0119
Plot (i) the time (y-axis) versus the concentration of IO3- (x-axis) and (ii)
the reciprocal of time (y-axis) versus the concentration of IO3- (x-axis) for
( 表 二) 配 方 (表三)以 IO3-濃度為變因
this experiment. Connect the points with a smooth curve.
What is the order of the reaction relative to the concentration of IO3- ? 1 order. Part 1b. Variation of Rate with Concentration of hydrogen sulfite
Concentration of hydrogen sulfite HSO3- stock solution is __0.100__ M.
Iodate IO3- stock solution is __0.050__ M.
[HSO3-] (10ିଶ M) [IO3-] (10ିଶ M) Time Trial1 (s) Time Trial2 (s) Time Trial3 (s) Mean (s) SD (s) Mean-1 (s-1) 1 1.00 2.50 13.84 13.67 13.79 13.77 0.087 0.0730 2 2.00 2.50 7.47 7.52 7.46 7.48 0.032 0.136 3 0.500 2.50 26.92 26.65 24.29 25.95 1.45 0.0385
Plot (i) the time (y-axis) versus the concentration of HSO3- (x-axis) and (ii)
the reciprocal of time (y-axis) versus the concentration of HSO3- (x-axis)
for this experiment. Connect the points with a smooth curve.
What is the order of the reaction relative to the concentration of HSO3- ? 1 order. The overall reaction order is 2 order.
(圖一)
[IO
3-] VS Time
(圖二)[IO
3-] VS Time
-1R e a ct io n t im e (s e c) [IO3-] (10-2 M) [IO3-] (10-2 M) 反 應 速 率 (s e c -1 )
(圖三)
[HSO
3-] VS Time
(圖四)[HSO
3-
] VS Time
-1 R e a c tio n t im e (s e c) 反 應 速 率 (s e c -1 ) [HSO3-] (10-2 M) [HSO3-] (10-2 M) (表三)以 HSO3 -濃度為變因Part 3. Based on your data, find the proportions that will take EXACTLY 15.0 seconds to react at room temperature.
Concentration of HSO3- stock solution is __0.100__ M
Concentration of IO3- stock solution is __0.050__ M
HSO3-體積 IO3-體積 H2O 體積 [HSO3-] [IO3-]
100μL 500μL 400μL 0.0100 M 0.0250 M 實際變色時間： 15.0 秒
五
五
五
五、
、
、
、實驗
實驗
實驗問題與
實驗
問題與
問題與
問題與討論
討論
討論：
討論
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(1) 問題討論： a. Q：反應級數是如何判斷的？ A：由於反應速率與HSO3 -和IO3 -的濃度都成一次方正比，所以反應各為 一級，總級數為二級。 b. Q：亞硫酸氫根其實是從亞硫酸根備製的，請說明其中的原理： A：HSO3 ↔ H+ + SO3 2-。而KIO3水溶液偏酸性。 c. Q：為什麼此次實驗的總體積都要維持一樣 (1 mL)？ A： 1 mL 是因為可以減少藥品的使用量，也可以順便練習微量吸管。 總體積為一控制變因，同體積也可以降低誤差。 (最後加入的藥 品，可能會因為體積不同，加入時所需時間不同，產生誤差。) d. Q：說明微量吸管 (micropipette) 的使用細節。 A： tip的大小要選擇正確。 吸取時僅押一段後即輕輕放開，加入藥品時則要押兩段。 吸取時不可過頭，若液體不小心吸入吸管內，會造成毀損。 吸取時要注意 tip 中沒有氣泡，確保體積的正確性。 刻度旋轉時不可超過其上限與其下限體積。 吸取時， tip 的尖端不宜太低於液面，水壓差會有些微影響。 要定期校正微量吸管的吸取體積。 e. Q：IO3 與 HSO3 - 莫耳數之比值應如何，才有藍色產生？為什麼？ A： IOଷି HSOଷି > 1 3 才會反應！Step1. IO3-(aq) + 3 HSO3-(aq) → I-(aq) + 3 SO42-(aq) + 3 H+(aq)
Step2. 5 I-(aq) + IO3-(aq) + 6 H+(aq) → 3 I2(aq) + 3 H2O(l)
Step3. I2(aq) + HSO3-(aq) + H2O(l) → 2 I2(aq) + SO42-(aq) + 3 H+(aq)
∴當HSO3-尚存時，I2便無法生成 又每一個 IO3 - 可以消耗三個 HSO3 -，而且Step2.中，每一個 IO3 - 可以生 成三個 I2，而每一個 I2又可以消耗一個 HSO3-，仍相當於每一個 IO3- 可 以消耗三個 HSO3-。所以當比值大於1/3，多餘的 I2便會生成，與澱粉生 成藍色錯合物。 (表四)15.0 秒實驗配方
(2) 實驗誤差可能產生的原因： a. 微量吸管在使用時，未遵照注意事項，或是微量吸管本身的誤差。 b. 加入最後一項藥品後，未搖晃均勻。 c. 反應時間在 6 秒以內，按碼表的同學反應不及。 d. 加入藥品與按碼表並非同時。 e. 加入最後的藥品時，是沿著管壁緩緩流下的，混合時間不同。 f. 搖晃時過於劇烈，藥品濺出，甚至是影響到旁邊的 well。 g. 最後加入的藥品，因為體積不同，加入時所需時間不同，產生誤差。 (3) 實驗的感想與建議： a.雖然老師說只要前 3~5 秒劇烈搖晃，之後的結果都差不多，但是我認為 搖晃的程度與方式還是會有一些差別。搖晃較緩和，混合所花的時間多 少大於劇烈搖晃，而搖晃的方式也多少會影響到按表者的判讀，左右搖 晃與劇烈搖晃後靜止，前者的時間記錄會有明顯的正偏差。 b.15.0 秒的實驗，由於人為誤差的因素非常多，個人認為老師評分的標準 有些嚴格 (雖然幸運地做到 15.0 秒的我們，沒有立場說這種話)。 c.看到藥品在差不多的時間，瞬間變色，讓人有一種莫名的感動，那麼這 種感動，可以應用在什麼地方呢？ 對於未知濃度的樣品，我們可以用反應時間，得到反應速率，進而回 推未知濃度。 找一組可以以電流還原的藥品，做一個小型的粗略的計時器，在室溫 一定的範圍之下，它產生顏色變化的時間約略相同，雖然沒有實際上的 計時用途，但是很類似小朋友玩沙漏，可以當一種玩具之類的。
六
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、參考資料
參考資料
參考資料與文獻
參考資料
與文獻
與文獻
與文獻：
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(1) Sandra Kiselica：Fundamentals of Analytical Chemistry。USA：THOMSON。 Douglas A. Skoog、Donald M. West、F. James Holler、Stanley R.Crouch。 (2) McNeil, Donald G：In Raising the World’s I.Q., the Secret’s in the Salt。Now York:New York Times。(2008-12-04)
(3)Phyllis:Iodine and Iodine Compounds。USA：Ullmannm。Wiley-VCH, Weinheim。(2005)
(4) http://www.biotech.wisc.edu/outreach/pipettestory.html。
(5)Panico, R & Powell, W. H：A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds。Oxford： Blackwell Science. (1994)
(6)F. A. Cotton and G. Wilkinson：Advanced Inorganic Chemistry, 5th ed。USA： John Wiley & Sons。(1988).
