初期反應速率法-實驗計算討論

(1)

初期反應速率法-實驗計算討論

實驗八碘鐘實驗–

反應級數之測定I

此講義僅供校內修課學生參考

(2)

化學網站版 N.T.O.U 2

藥盆清點 ^{-四組一盆}

•實驗操作分兩週，桌長請確認[W1]藥盆

•注意藥品名稱與濃度

(3)

實驗八基本概念實驗目的原理

利用定量的硫代硫酸根(S₂

O

₃^2-

)與碘分子(I

₂

)的氧化

還原反應當測量工具，測定過硫酸根離子(S₂

O

₈^2-

)與

碘離子(I^-

)反應之速率

) 2 ..(

...

2 2

) 1 ....(

...

2 2

2 6 4 2

2 3 2

2 2

4 2

8 2

 



 













O S

I I

O S

I SO

I O

S

key3限量之計時劑，一用完，

I₂即與澱粉指示劑作用

key2反應速率極快，前式生成的I₂立刻被用掉，產生I^- key1實驗欲測其

反應速率式

I

^-

+ I

₂

 I

₃^- ^{澱粉指示劑}

(4)

定義：單位時間內反應物或產物之濃度變化速率定律式：

- 以數學式表示反應速率與反應物濃度之間的關係 -

rate = k[A]

^m

[B]

ⁿ

- 速率常數k定溫下為定值

- 反應級數m、n可為整數、分數、負數，由實驗測得 - 決定反應級數的方法

(1)初期反應速率法W1學習 (2)積分作圖法W2學習

實驗八基本概念

cdt C d bdt

B d adt

A

rate d [ ] [ ] [ ]

 

反應速率 

(5)

實驗八基本概念初期反應速率法

定義：改變某一種反應物的初濃度，而其他反應條件維持固定不變，進行一系列

的試驗，以求取此濃度變化對反應初速率的影響

) 2 ..(

...

2 2

) 1 ....(

...

2 2

2 6 4 2

2 3 2

2 2

4 2

8 2

 



 













O S I

I O

S

I SO

I O

S

 

t I t

SO t

I t

O rate S



 



 



 



 

 



2 2

4 2

8 2

2 ] [

2 ] ] [

[

]) ( [

] 2 [

1

2 8 2 2

3 2

t O S t

O S

rate 



 



  ^

 



t O S t

I t

O rate S



 



 



 



 

 

 2

6 4 2

2 3 2

2 ] ] [

[ 2

] [

) 2 ..(

...

2 2

) 1 ....(

...

2 2

2 6 4 2

2 3 2

2 2

4 2

8 2

 



 













O S I

I O

S

I SO

I O

S

rate＝ k [S₂O₈^2-]^m [I^-]ⁿ

(6)

實驗八步驟及計算

• (一)初期反應速率法 1.反應時間測定

編號 0.20M NaI (mL)

0.20M NaCl (mL)

0.0050M Na₂S₂O₃

(mL)

2%

澱粉 (mL)

0.10M K₂SO₄ (mL)

0.10M K₂S₂O₈

(mL)

反應時間 (平均)

(sec)

1 2.0 2.0 1.0 1.0 2.0 2.0 64

2 2.0 2.0 1.0 1.0 0.0 4.0 36.5

3 4.0 0.0 1.0 1.0 2.0 2.0 36.5

編號混合液中反應物起始濃度平均時間 (sec)

反應速率 (M/sec) [S₂O₃^2-] [S₂O₈^2-] [I^-]

1 510^-4 210^-2 (1)? 64 (2)?

2 (3)? (4)? (5)? 36.5 (6)?

3 (7)? (8)? (9)? 36.5 (10)?

2.計算各反應物的起始濃度及試驗1、2、3的初速率

]) ( [

] 2 [

1

2 8 2 2

3 2

t O S t

O S

rate 



 



 

 

2

3

10

10 1 005 . 0



x 

Mx ₂

3

10

10 2 2

. 0



x 

Mx

64

10 2 5

1 _₄

 x x

2

3

10

10 2 1

. 0



x 

Mx

(7)

實驗八步驟及計算

• (一)初期反應速率法 1.反應時間測定

編號 0.20M NaI (mL)

0.20M NaCl (mL)

0.0050M Na₂S₂O₃

(mL)

2%

澱粉 (mL)

0.10M K₂SO₄ (mL)

0.10M K₂S₂O₈

(mL)

反應時間 (平均)

(sec)

1 2.0 2.0 1.0 1.0 2.0 2.0 64

2 2.0 2.0 1.0 1.0 0.0 4.0 36.5

3 4.0 0.0 1.0 1.0 2.0 2.0 36.5

反應速率 (M/sec) [S₂O₃^2-] [S₂O₈^2-] [I^-]

1 510^-4 210^-2 410^-2 64 - 3.9110^-6

2 510^-4 410^-2 410^-2 36.5 - 6.8510^-6 3 510^-4 210^-2 810^-2 36.5 - 6.8510^-6 2.計算各反應物的起始濃度及試驗1、2、3的初速率

]) ( [

] 2 [

1

2 8 2 2

3 2

t O S t

O S

rate 



 



 

 

(8)

實驗八步驟及計算

, 2 ]

[ ] [

]) [ 2 ( ] [

1 3

, 2 ]

[ ] [

]) ([

]) [

2 ( 1

2

] [ ] [

2 8 2

2 8 2 2 8 2

n n

m

n m

m n

m

n m

I O

S k

I O

S k rate

rate

I O

S k

I O

S k rate

rate

I O

S k r



 

n n

m

n m

m n

m

n m

I O

S k

I O

S k rate

rate

I O

S k

I O

S k

rate rate

I O

S k r

] 2 [ ] [

]) [

2 ( ] [

1 3

, ] 2

[ ] [

]) ([

]) [

2 ( 1

2 ] [ ] [

2 8 2

2 8 2 2 8 2



 

m

x

x 2

10 91 . 3

10 85 . 6

6 6 



n

x

x 2

10 91 . 3

10 85 . 6

6 6 



反應速率 (M/sec) [S₂O₃^2-] [S₂O₈^2-] [I^-]

1 510^-4 0.02 0.04 64 - 3.9110^-6

2 510^-4 0.04 0.04 36.5 - 6.8510^-6

3 510^-4 0.02 0.08 36.5 - 6.8510^-6

3.計算相對於S₂O₈^2-和I^-的反應級數m與n。

1.75=2^m

 log 1.75 = m x log 2

 m = = 0.81_log2

log1.75

(9)

實驗八步驟及計算

rate＝ k [S₂O₈^2-]^m [I^-]ⁿ

m=0.81 , n=0.81 , k= -1.26x10^-3 所以速率定律式

先求出反應級數m、

n , 再帶回公式求出速率常數k

4. 計算本實驗之速率常數

編號1反應速率rate 1 = -3.91 x 10^-6

= k [S₂O₈^2-]^m [I^-]ⁿ

= k [0.02M]^0.81 [0.04M]^0.81

 k= -1.26x10^-3

5. 寫出正確之速率定律式

rate= -1.26x10

^-3

[S

₂

O

₈^2-

]

^0.81

[I

^-

]

^0.81

(10)

實驗八步驟及計算

6. 自行設計實驗之取量

• 預定變色時間：_△t__；實測變色時間：___

試劑 預定取量(mL) 試劑 預定取量(mL) 2 % starch 1.0 0.005 M Na₂S₂O₃ 1.0

0.2 M NaI 2.0 0.1 M K₂S₂O₈

x

0.2 M NaCl 2.0 0.1 M K₂SO₄

4.0-x

法一：先設Δt (參考實驗編號1-3之秒數)

法二：先設x (條件0<x<4, x≠2) ＊實驗誤差±5秒以內

    ^ ^

 

ⁿ

x

m

t k t

O S t

O

rate S 0 . 040

0 . 10

10 . 10 0

0 . 2 5 1 2

1

2 ₄

3 2 2

8

2





 



 

 



 



 



 

 



(11)

實驗八注意事項

• 1.正確使用微量分注器

- 慢吸慢放

- tips務必洗淨三次無殘留液體，再重複使用 - 實驗結束請調回最大值//將tips補滿

• 2.正確使用烘箱

- 請TA協助調整溫度//100℃放玻璃

- 請戴布手套拿取//確認使用器皿已烘乾

• 3.正確使用加熱攪拌器

- 僅使用攪拌功能

- 實驗結束請擦拭乾淨、電源線纏繞整齊

• 4.每組3個100 mL燒杯洗淨，放講桌藥盆

• 5.藥品標籤撕下、藥瓶洗淨、送至60℃烘箱

(12)

想想看…你學會了嗎？

• 學會反應速率法計算的過程 -求得k、m、n

• 完成自行設計的實驗 -實驗誤差±5秒以內

-驗證k、m、n為正確值

• 請培養團隊合作、溝通協調的能力

• 請學習運用知識、判斷實踐的能力

• 開始動手做實驗吧~~

(13)

積分作圖法

實驗八碘鐘實驗–

反應級數之測定II

此講義僅供校內修課學生參考

(14)

藥盆清點 ^{-四組一盆}

•實驗分兩週，桌長請確認[W2]藥盆

•注意藥品名稱與濃度

(15)

實驗八基本概念

普化課本

AP 持續測定反應物濃度[A]_t隨時間t 之變化

2014 Pearson

(16)

實驗八基本概念積分作圖法

對一個單反應物之反應： AP

持續測定反應物濃度[A]_t隨時間t 之變化

(17)

實驗八基本概念積分作圖法

]0

[ ]

] [

[ K A kt A

dt A

R   d     

]0

ln[

] ln[

] ] [

[ k A A kt A

dt A

R   d     

0th order reaction

1st order reaction

2nd order reaction

0 2

] [

1 ]

[ ] 1

] [ [

kt A A A

dt k A

R   d     

→由讀圖可知反應級數

[A]

k= -Slope

ln[A] t

k= -Slope

1/[A] t

k= Slope

t

y =

ax + b

y = ax + b

(18)

實驗八基本概念方法比較

初期反應速率法積分作圖法

1 反應時間極短反應時間較長

2 要知道

反應物起始濃度

要知道

反應物濃度隨時間的變化 3 級數可以是

整數、分數、負數

級數一定是整數

4 確認方式

－自行設計實驗印證

4.確認方式

－作圖

(19)

實驗八步驟及計算

• (二)積分作圖法 1.反應時間測定

•總溶液體積均相同，18 mL

•NaI、K₂S₂O₈取量均相同

•限量計時劑Na₂S₂O₃取量不同編號 2%

澱粉 (mL)

1.0M NaI (mL)

0.20M Na₂S₂O₃

(mL)

蒸餾水 (mL)

0.15M K₂S₂O₈

(mL)

反應時間 (sec)

1 1.0 5.0 5.5 1.5 5.0 660

2 1.0 5.0 4.5 2.5 5.0 452

3 1.0 5.0 3.5 3.5 5.0 335

4 1.0 5.0 2.5 4.5 5.0 208

5 1.0 5.0 1.5 5.5 5.0 122

6 1.0 5.0 0.5 6.5 5.0 38

• NaI濃度高，假設過程中濃度不變

•僅探討K₂S₂O₈反應物之反應級數

(20)

實驗八步驟及計算

2.計算結果列表 編號 S₂O₃^2-

最初 (mole)

S₂O₈^2- 最初 (mole)

S₂O₈^2- 剩下 (mole)

[S₂O₈^2-] (M)

ln[S₂O₈^2-] 1/[S₂O₈^2-]

1 1.110^-3 7.510^-4 2.010^-4 0.0111 -4.50 90.1 2 9.010^-4 7.510^-4 3.010^-4 0.0167 -4.09 59.9 3 7.010^-4 7.510^-4 4.010^-4 0.0222 -3.81 45.0 4 5.010^-4 7.510^-4 5.010^-4 0.0278 -3.58 36.0 5 3.010^-4 7.510^-4 6.010^-4 0.0333 -3.40 30.0 6 1.010^-4 7.510^-4 7.010^-4 0.0389 -3.25 25.7

0.2Mx5.5x10^-3

0.15Mx5x10^-3

7.5x10^-4-

2

0 0.2Mx5.5x1 ^³

) 2 ..(

...

2 2

) 1 ....(

...

2 2

2 6 4 2

2 3 2

2 2

4 2

8 2

 



 













O S I

I O

S

I SO

I O

S

3 4

18x10 2.0x10



(21)

實驗八步驟及計算

3.用Excel作[S₂O₈^2-]、ln[S₂O₈^2-]、1/[S₂O₈^2-]對時間的關係圖

表格內輸入反應時間、 [S₂O₈^2-]、ln[S₂O₈^2-]、1/[S₂O₈^2-]

選取XY數值插入XY散布圖含有資料標記的折線圖

填入圖表標題、XY軸意義完成圖形

點選曲線，加上趨勢線顯示公式及R²值

比較三張圖形之迴歸直線的相關係數R²值

何者對時間的線性關係最明顯(R²越接近1)？

若迴歸方程式如下： ln[S₂O₈^2-]=(-3.1 x10^-3) x t -3.1737 故可判斷此反應對K₂S₂O₈而言：

反應級數：1級

速率常數： 3.1 x10^-3 k= -Slope

(22)

實驗八注意事項

• 1.正確使用微量分注器

- 慢吸慢放

- tips務必洗淨三次無殘留液體，再重複使用 - 實驗結束請調回最大值//將tips補滿

初期反應速率法-實驗計算討論