碘鐘實驗─反應級數之測定

國立臺灣海洋大學 普通化學實驗

Chemistry Experient

實驗八

碘鐘實驗─反應級數之測定

實驗日期：2017.3.10 及 2017.3.17 組別：第七組

姓名：黃怡媗

學號：00531031

一、 實驗記錄與結果

(一)初期反應速率法 1. 反應時間測定

編號 0.2M Nal (mL)

0.2M NaCl (mL)

0.005M Na₂S₂O₃ (mL)

2%

澱粉 (mL)

0.1M K₂SO₄

(mL)

0.1M K₂S₂O₈

(mL)

反應時間

∆t(sec)

1 2 2 1 1 2 2 135.20

2 2 2 1 1 0 4 71.47

3 4 0 1 1 2 2 70.42

2. 計算個反應物的起始濃度及試驗 1、2、3 的初速率：

rate =−∆[𝑆₂𝑂₈²⁻]

∆𝑡 =−1

2 ∆[𝑆²𝑂₃²⁻]

∆𝑡

編號

混合一中反應物起始濃度(M) 反應間時

∆t(sec)

反應速率 rate(M/sec) [S₂O₃^2-] −¹₂∆[S₂O₈^2-] [I^-]

1 5x10^-4 2x10^-2 4x10^-2 135.2 −1.85 × 10⁻⁶ 2 5x10^-4 4x10^-2 4x10^-2 71.47 −3.50 × 10⁻⁶ 3 5x10^-4 2x10^-2 8x10^-2 70.42 −3.55 × 10⁻⁶

＊編號 1

[𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 5 × 10

𝑀 [𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 2 × 10

𝑀 [𝐼

] =

10⁻²

(

) = 4 × 10

𝑀

＊編號 2

[𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 5 × 10

𝑀 [𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 4 × 10

𝑀 [𝐼

] =

10⁻²

(

) = 4 × 10

𝑀

＊編號 3

[𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 5 × 10

𝑀 [𝑆

𝑂

] =

10⁻²

(

) = 4 × 10

𝑀 [𝐼

] =

10⁻²

(

) = 8 × 10

𝑀

3. 計算相對於 S2O82-和 I^-的反應級數 m 與 n。(以兩位有效數字表示)

rate1 =

1

2×5×10⁻⁴

135.20

≅ −1.849112426 × 10

rate2 =

1

2×5×10⁻⁴

71.47

≅ −3.497971177 × 10

rate3 =

1

2×5×10⁻⁴

70.42

≅ −3.550127805 × 10

𝑟𝑎𝑡𝑒2

𝑟𝑎𝑡𝑒1 = ^{𝑘(2[𝑆2𝑂82−]𝑚[𝐼−]𝑛)}

𝑘[𝑆₂𝑂₈²⁻]^𝑚[𝐼⁻]^𝑛 = 2^𝑚 ≅ 1.891702813

2

≅ 1.891702813

⇒ 𝑚 × 𝑙𝑜𝑔2 = 𝑙𝑜𝑔1.891702813

移項

⇒

=

𝑙𝑜𝑔2

≅ 0.9196954587 ≅

𝑟𝑎𝑡𝑒3

𝑟𝑎𝑡𝑒1 = ^{𝑘([𝑆2𝑂82−]}

𝑚2[𝐼⁻]^𝑛)

𝑘[𝑆₂𝑂₈²⁻]^𝑚[𝐼⁻]^𝑛 = 2^𝑛 ≅ 1.919909117

2

≅ 1.919909117

⇒ 𝑛 × 𝑙𝑜𝑔2 = 𝑙𝑜𝑔1.919909117

移項

⇒

=

𝑙𝑜𝑔2

≅ 0.9410380593 ≅

4. 計算本實驗之速率常數

rate1 =

[0.02𝑀]^0.92[0.04𝑀]^0.94 ≅ −1.393411303 × 10⁻³

Ans: k ≅ −1.39 × 10⁻³

5. 寫出正確之速率定律式

rate =

−1.39 × 10

[𝑆

𝑂

]

[𝐼

]

6. 自行設計實驗之取量

預定變色時間：90 秒；實測變色時間：86.9秒

試劑 預定取量(mL) 試劑 預定取量(mL)

2% starch 1 0.005M Na₂S₂O₃ 1

0.2M NaI 2 0.2M NaCl 2

0.1M K2S2O8

3.11

(X) 0.1M K2SO4

0.89 (4-X)

詳列計算過程：

rate = ⁻

1

2(−5.0×10⁻⁴)

90 = 2.77777778 × 10⁻⁶ = 𝑘[0.01𝑋]^0.92[0.04]^0.94 移項⇒ 𝑋^0.92 = 2.77777778×10⁻⁶

𝑘[0.01]^0.92[0.04]^0.94 ≅ 2.842377642 同取𝑙𝑜𝑔

⇒ 0.92 × 𝑙𝑜𝑔𝑋 = 𝑙𝑜𝑔2.842377642

÷0.92

⇒ 𝑙𝑜𝑔𝑋 = 0.4931323678 ⇒𝑋 ≅ 3.112673274 ≅ 3.11

可得⇒ 4 −𝑋 = 0.89

依此計算取量的實驗結果：86.9秒 誤差率：-3.4%

※ 由於在課堂上 m 及 n 不是只取到小數點後兩位，因此所得的 k 值與報告上的有些微誤 差，也影響到運用到 k 值所求出需添加的 K₂S₂O₈及 K₂SO₄有些微的誤差。

(二) 積分作圖法 1. 反應時間測定：

編號

2%

澱粉 (mL)

1M Nal (mL)

0.2M Na₂S₂O₃

(mL)

純水 (mL)

0.1M K₂S₂O₈

(mL)

反應間時

∆t(sec)

1 1 5 5.5 1.5 5 1216.50

2 1 5 4.5 2.5 5 738.52

3 1 5 3.5 3.5 5 524.01

4 1 5 2.5 4.5 5 335.95

5 1 5 1.5 5.5 5 164.61

6 1 5 0.5 6.5 5 52.37

2. 在此六次試驗中，反應物(NaI、K₂S₂O₈)之濃度均相同，僅是計時劑 Na₂S₂O₃用量不同。由 於∆[𝑆₂𝑂₃²⁻] = 2∆[𝑆₂𝑂₈²⁻]，因此當經時間 t，反應液變色時(即溶液中時劑 Na2S₂O₃用盡，

容易呈現深藍色)，溶液中剩餘之[𝑆₂𝑂₈²⁻]，可由反應溶液內所加入之 Na2S₂O₃的量來計算：

(1). 由各杯中所加入的 Na₂S₂O₃體積及濃度，計算 S₂O₃^2-莫耳數。

(2). 計算溶液中 S₂O₈^2-之莫耳數。

(3). 由∆[𝑆₂𝑂₃²⁻] = 2∆[𝑆₂𝑂₈²⁻]關係式，計算經時間 t 後，每杯中 S2O82-之剩餘量(mole)，並 計算其濃度(M，mole/L)。

(4). 計算六次試驗之ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]及1/[𝑆₂𝑂₈²⁻]。

(5). 詳列以上各步計算過程並列表表示此一部分計算結果。

編號

S2O32-

最初 (mole)

S2O82-

最初 (mole)

S2O82-

剩下 (mole)

[𝑆₂𝑂₈²⁻] (M)

ln[𝑆₂𝑂₈²⁻] 1 [𝑆₂𝑂₈²⁻]

1 1.1x10^-3 7.5x10^-4 2.0 x10^-4 1.1 x10^-2 -4.50 90.1 2 9.0x10^-4 7.5x10^-4 3.0 x10^-4 1.7 x10^-2 -4.09 59.9 3 7.0x10^-4 7.5x10^-4 4.0 x10^-4 2.2 x10^-2 -3.81 45.0 4 5.0x10^-4 7.5x10^-4 5.0 x10^-4 2.8 x10^-2 -3.58 36.0 5 3.0x10^-4 7.5x10^-4 6.0 x10^-4 3.3 x10^-2 -3.40 30.0 6 1.0x10^-4 7.5x10^-4 7.0 x10^-4 3.9 x10^-2 -3.25 25.7

(1).

計算 S

O

莫耳數 ＊莫耳濃度乘體積 𝐶

(𝑀) × 𝑉(𝐿)

1. 0.2 × 5.5 × 10⁻³ = 1.1 × 10⁻³

2. 0.2 × 4.5 × 10⁻³ = 9.0 × 10⁻⁴

3. 0.2 × 3.5 × 10⁻³ = 7.0 × 10⁻⁴

4. 0.2 × 2.5 × 10⁻³ = 5.0 × 10⁻⁴

5. 0.2 × 1.5 × 10⁻³ = 3.0 × 10⁻⁴

6. 0.2 × 0.5 × 10⁻³ = 1.0 × 10⁻⁴

(2).

計算溶液中 S

O

之莫耳數 ＊莫耳濃度乘體積 𝐶

(𝑀) × 𝑉(𝐿)

0.15 × 5 × 10

= 7.5 × 10

(3). 由∆[𝑆₂𝑂₃²⁻] =2∆[𝑆₂𝑂₈²⁻]關係式，計算經時間 t 後，每杯中 S2O82-之剩餘量(mole)，

並計算其濃度(M，mole/L)

＊ S2O82-剩餘量(mole)

剩餘𝑆

𝑂

(mole) = 原始𝑆

𝑂

(mole) − 用掉𝑆

𝑂

(mole)

= 原始𝑆

𝑂

(mole) −

2

用掉𝑆

𝑂

(mole)

1. 7.5 × 10⁻⁴ −^1.1×10₂ ⁻³ = 2.0 × 10⁻⁴ 2. 7.5 × 10⁻⁴ −^9.0×10−4

2 = 3.0 × 10⁻⁴ 3. 7.5 × 10⁻⁴ −^7.0×10−4

2 = 4.0 × 10⁻⁴ 4. 7.5 × 10⁻⁴ −^5.0×10−4

2 = 5.0 × 10⁻⁴ 5. 7.5 × 10⁻⁴ −^3.0×10−4

2 = 6.0 × 10⁻⁴ 6. 7.5 × 10⁻⁴ −^1.0×10−4

2 = 7.0 × 10⁻⁴

＊ [𝑆₂𝑂₈²⁻]剩餘濃度(M)

[𝑆

𝑂

]剩餘濃度(M) =

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿)

1. _1.8×10^2.0×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0111(M) 2. _1.8×10^3.0×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0167(M) 3. _1.8×10^4.0×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0222(M) 4. _1.8×10^5.0×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0278(M) 5. _1.8×10^6×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0333(M) 6. _1.8×10^7×10₋₂⁻⁴_(𝐿) = 0.0389(M)

(4). 計算六次試驗之

ln[𝑆

𝑂

]

1/[𝑆

𝑂

]

＊ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]

1. ln[𝑆

𝑂

] = ln(0.0111) = −4.5008 ≅ −4.50 2. ln[𝑆

𝑂

] = ln(0.0167) = −4.0923 ≅ −4.09 3. ln[𝑆

𝑂

] = ln(0.0222) = −3.8077 ≅ −3.81 4. ln[𝑆

𝑂

] = ln(0.0278) = −3.5827 ≅ −3.58 5. ln[𝑆

𝑂

] = ln(0.0333) = −3.4022 ≅ −3.40 6. ln[𝑆

𝑂

] = ln (0.0389) = −3.2468 ≅ −3.25

＊ ¹

[𝑆₂𝑂₈²⁻]

1. _[S ¹

2O₈²⁻] = 90.0901 ≅ 90.1 2. _[S ¹

2O₈²⁻] = 59.8802 ≅ 59.9 3. _[S ¹

2O₈²⁻] = 45.0450 ≅ 45.0 4. _[S ¹

2O₈²⁻] = 35.9712 ≅ 36.0 5. _[S ¹

2O₈²⁻] = 30.0300 ≅ 30.0

6.

2O₈²⁻] = 25.7026 ≅ 25.7

3. 分別以

[𝑆

𝑂

]

ln[𝑆

𝑂

]

1/[𝑆

𝑂

]

y = -2E-05x + 0.0369 R² = 0.9379

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

[S2O82- ]

反應時間t(sec)

零級反應

數列1 線性(數列1)

y = -0.0011x - 3.2228 R² = 0.9928

-5.0000 -4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 0.0000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

ln[S2O82- ]

反應時間t(sec)

一級反應

數列1 線性(數列1)

4. 由 3 之結果，判斷此反應對反應物 K2S2O8而言：

反應級數：一級反應(R²最接近 1) 速率常數：0.0011

回歸方程式：ln[𝑆₂𝑂₈²⁻] = −0.0011(t) − 3.2228，R² = 0.9928

(三)誤差因素檢討：

 藥劑體積誤差（Tip 的重複使用）

 量取好在旁等待的藥劑蒸發

 磁攪拌子使溶液潑濺，黏附於杯壁，使反應量減少

 同時看燒杯又要看碼錶由人為因素造成的計時誤差

 計算時小數點位數的取捨

y = 0.0559x + 19.532 R² = 0.9863

0.0000 20.0000 40.0000 60.0000 80.0000 100.0000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

1/[S2O82- ]

反應時間t(sec)

二級反應

數列1 線性(數列1)

二、 心得：

透過這次的碘鐘實驗，讓我對高中所學過反應速率及反應級數的算法更加清楚，雖 然剛好與這次的化學會考範圍相同，但由於化學正課在要做實驗時，還沒教到如何運算，

因此很感謝老師特地用了一週的課程時間教會我們如何做運算，以確保我們不會因為不知 道怎麼算，而拖到實驗進度。

由於這次的計算部分很多都是除不盡的，所以常常面臨需要取捨後面位數的問題。

這也使我在製作結報時面臨了一些困擾，很感謝老師在課後時間依然耐心的解決我的問題。

這次的實驗報告也讓我對 word 及 excel 的操作更加的熟悉，雖然使用電腦製作結報比起 上學期用手寫更難也需要耗費我更多時間，但完成的成就感也就更勝以往。

雖然一開始在自訂時間實驗的部分進行的不順利，好險老師有提供充足的藥品讓我 們這組能夠自行再次實驗，仔細思考並檢查剛剛各個環節是否有任何環節做錯，最後總算 成功達到老師的合格範圍標準。

而實驗最講求的就是要分工合作，所以我也很感謝我同組的組員一直都非常配合我，

也與我十分的有默契，若我對實驗結果不滿意時，也會願意耐心的陪我重做，因此我覺得 實驗課也是讓我學習到團隊分工合作的重要以及凡事謹慎小心處理的精神。