碘鐘實驗 II - 積分作圖與活化能

碘鐘實驗 II - 積分作圖與活化能

領取專用器材：

• 洗淨烘乾 10 個 50 mL 錐形瓶放冷備用

（戴麻布手套並以塑膠盆盛裝）

• 10 mL 刻度吸管 2 支、安全吸球 2 個

• 溫度計 1支

• 軟木塞 6 個

• 保麗龍湯杯 1個

• 標籤紙數張（標示刻度吸管、燒杯）

• 計時器 1 個、小攪拌子1個（助教點發、收）

準備個人器材：

• 洗淨烘乾 1 個100 mL燒杯，放冷裝取 40 mL Na ₂ S ₂ O ₃

2021/03/16修訂

*烘箱內錐形瓶不要 放過滿

*Experiments in General Chemistry, E22, p.171

限量 計時劑

實驗目的

I. 積分作圖法 (決定級數及速率常數)

Rate = k’ [S ₂ O ₈ ^2- ] ^m

II. 活化能E _a 測定 (測定不同溫度下反應速率)

III. 催化劑 ^{(對反應速率的影響)}

T lnA 1 R

= E

ln(k) −

 +

S ₂ O ₈ ^2- + 2 I ^- → 2 SO ₄ ^2- + I _{2 待測速率定律式}

澱粉指示劑

2

初速率法 Rate = k [S ₂ O ₈ ^2- ] ^m [I ^- ] ⁿ 2 S ₂ O ₃ ^2- + I ₂ → 2 I ^- + S ₄ O ₆ ^2-

I ^- + I ₂ → I ₃ ^-

（阿瑞尼斯方程式）

t [A] ln[A] 1/[A]

0 [A]₀ ln[A]₀ 1/[A]₀

t₁ [A]₁ ln[A]₁ 1/[A]₁

t₂ [A]₂ ln[A]₂ 1/[A]₂

註： [A]

為起始濃度，[A]為經時間 t 後，反應物A之濃度

積分作圖法Integrated Rate Law

對一個單反應物之反應： A → P

… … … …

反應級數 速率定律式 積分速率定律式 作圖 斜率 截距

零級 [A] = -kt + [A]

^{[A] vs. t -k}

一級 ln[A] = -kt + ln[A]

ln[A] vs. t -k

二級 1/[A] vs. t k

rate d[A]

dt k

= −

=

rate d[A]

dt k[A]

= − =

rate d[A]

dt k[A]

= − =

1

[A] kt 1 [A]

= +

積分速率定律式

積分作圖法－實驗設計

V ( mL)

編號

2％澱粉 *1.0 M NaI

**0.20 M Na

S

O

H

O 0.15 M K

S

O

t (s)

1 1.0 5.0 5.5 1.5 5.0 t

2 1.0 5.0 4.5 2.5 5.0 t

3 1.0 5.0 3.5 3.5 5.0 t

4 1.0 5.0 2.5 4.5 5.0 t

5 1.0 5.0 1.5 5.5 5.0 t

6 1.0 5.0 0.5 6.5 5.0 t

反應物 A

**改變限量

*S ₂ O ₈ ^2- + 2 I ^- → 2 SO ₄ ^2- + I ₂

* 對一個單反應物之反應： A → P

Rate = k’ [S ₂ O ₈ ^2- ] ^m

5

*NaI 濃度高 視為不變

∆𝑛 _𝑆

2

𝑂

= 𝟐∆𝒏 _𝑺

𝟐

𝑶

2 S ₂ O ₃ ^2- + I ₂ → 2 I ^- + S ₄ O ₆ ^2-

分注器

積分作圖法－實驗設計

V ( ^mL)

編號 2％澱粉 1.0 M NaI

0.20 M

Na

S

O

H

O 0.15 M K

S

O

1 1.0 5.0 5.5 1.5 5.0

2 1.0 5.0 4.5 2.5 5.0

3 1.0 5.0 3.5 3.5 5.0

4 1.0 5.0 2.5 4.5 5.0

5 1.0 5.0 1.5 5.5 5.0

6 1.0 5.0 0.5 6.5 5.0

分注器 10 mL 吸量管

改變計時劑取量 總體積18 mL 反應物

6

*最後加

流程 1：積分作圖法

• 錐形瓶洗淨、烘乾、放冷

• 下墊備用白紙、寫編號

• 按編號取量於1~6錐形瓶

• 最後加入 K ₂ S ₂ O ₈ ，並開始計時

• 軟木塞塞住瓶口

• 搖瓶混合與計時方式盡量相同

• 溶液一變色，即停止計時，記錄∆t

• 每隔30秒 加一瓶，同時反應

No.1~6 哪一瓶最快變色？哪一瓶最慢變色？為什麼？

最後加 K ₂ S ₂ O ₈

兩組交替加入S ₂ O ₈ ^2-

4 5 6

1 2 3

Group 1

#1- 00:00

#2- 00:30

#3- 01:00

#4- 01:30

#5- 02:00

#6- 02:30

Group 2

#1- 00:10

#2- 00:40

#3- 01:10

#4- 01:40

#5- 02:10

#6- 02:40

1 2 3

4 5 6

流程 2：活化能測定

➢ 依編號5之試劑取量

溫度達平衡 測量錐形瓶內 溶液溫度

1) 加入 K ₂ S ₂ O ₈ 2) 立即計時，持

續攪拌使溶液 混合均勻

3) 測記變色時間 T lnA

1 R

= E

ln(k) −

 +

T ₁ k ₁ T ₂ k ₂ T ₃ k ₃

lnk

1/T (K

) Slope = -E

/R

(1) 低溫冰浴

* 大量的冰

* 攪拌子攪拌

(2) 溫水浴

~40 ^o C溫水

流程 3：催化劑與反應速率

* 催化劑為倒數第二個加入

6) 加入 K ₂ S ₂ O ₈

計時並搖混錐形瓶溶液

 測記t

5) 加入 2 滴 0.020 M

CuSO ₄ (aq) 

➢依編號5之試劑取量

1) 2%澱粉（1.0 mL）

2) NaI（5.0 mL）

3) Na ₂ S ₂ O ₃ （1.5 mL）

4) 去離子水（5.5 mL）

10

◼ 使用同一組試劑且實驗計時方式一致

◼ 以洗淨烘乾放冷100 mL燒杯，限取40 mL之Na ₂ S ₂ O ₃

◼ 積分作圖法

➢ 每隔30秒滴加一瓶，同時計時

◼ 活化能E _a

➢ 冰水浴反應較慢(14~20分鐘)，以攪拌子攪拌，錐形瓶外 需大量冰以保持低溫

➢ 溫水浴以燒杯或保麗龍杯裝取排煙櫃內水壺熱水並調溫

➢ 測量反應前後錐形瓶內溶液溫度，取均溫

◼ 催化劑

➢ 倒數第二個加入Cu ²⁺

◼ 實驗結束

➢ 廢液回收，錐形瓶洗淨去除標籤紙，滴乾水後放烘箱烘乾

➢ 攪拌子及計時器交還助教點收

實驗注意事項

11

積分作圖法結果計算

➢ 報告需列表並附上Excel計算表格、通式、運算函數

➢ 作 3 圖，決定[S ₂ O ₈ ^2- ]級數及速率常數

12

∆𝒏

𝟐𝑶_𝟑^𝟐−

(mmol)

消耗S₂

O

∆𝒏

𝟐𝑶_𝟖^𝟐−

(mmol)

剩餘[S₂

O

]

(M) ln[S

O

] 1/[S

O

] ∆t

通式

0.20 

2𝑂₃²⁻

𝑛_𝑆

2𝑂₃²⁻

/ 2 (0.15  5.00 -

∆𝒏

𝟐𝑶_𝟖^𝟐−

) / 18.0 ln[A] 1/[A] 實驗值

#1 1.1 0.55 0.011 -4.50 90.0 ∆t

#2 0.90 0.45 0.017 -4.09 60.0 ∆t

#3 0.70 0.35 0.022 -3.81 45.0 ∆t

#4 0.50 0.25 0.028 -3.58 36.0 ∆t

#5 0.30 0.15 0.033 -3.40 30.0 ∆t

#6 0.10 0.050 0.039 -3.25 25.7 ∆t

[A]

ln[A]

1/[A]

∆𝑛 _𝑆

2

𝑂

= 2∆𝑛 _𝑆

2

𝑂

積分作圖法決定反應級數及k

y = -4E-05x + 0.0385 R² = 0.965

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045

0 200 400 600 800

過硫酸鉀濃度（M）

反應時間（s） y = -0.002x - 3.1581

R² = 0.9983 -4.6

-4.4 -4.2 -4 -3.8 -3.6 -3.4 -3.2 -3

0 200 400 600 800

ln[S2O82-]

反應時間（s）

y = 0.1039x + 16.575 0

20 40 60 80 100

0 200 400 600 800

1/[S2O82-]

• 標示x y軸

• 最小方差直線及R ²

• 由R ² → 1 最近似直線

• 判斷反應級數

• 由斜率得知 k

（如 k = 2.0 x 10 ^-3 ）

[S

O

] vs. time

[S

O

] (M) ln [S

O

] 1/[S

O

]

ln[S

O

] vs. time

1/[S

O

] vs. time

0級 1級

2級

y = -5824.7x + 14.597 R

= 0.9994

-8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00

0.00320 0.00330 0.00340 0.00350 0.00360 0.00370

1/T

ln (1 / t)

No. 5 T (℃，均溫) t (s) T (K) ln (1/t) 1/T 冰浴 2.0 868 275.2 -6.766 0.003634 室溫 14.0 270 287.2 -5.598 0.003482 溫水浴 40.0 30 313.2 -3.40 0.003193

活化能之數據處理

14

lnc T lnA

1 R

= E Δt)

ln( 1 − ^a  + −

E

= 5824.7 × 8.31

= 48 kJ/mol

(實驗值) 1/T (K

)

T lnA 1 R

= E

ln(k) −

 +

實驗報告須知

No. 5 t (s) T (℃) T (K) 無催化劑 270 14.0 287.2 有CuSO ₄ 92 14.5 287.7

◼ 詳列計算式

◼ 列印數據、表格與作圖，附於報告繳交

◼ 決定反應級數、速率常數與活化能

◼ 需有適合之有效數字與單位

◼ 具體說明催化劑效應

◼ 誤差討論

完整實驗報告

移液吸管與刻度吸量管

• 移液吸管玻璃管端只有一個標線，量取單一體積

• 刻度吸量管有較細微體積刻劃，用以變換所量取 液體的體積

• 吸量管不可放置於烘箱高溫烘乾，以免體積改變

• 使用前先洗淨，再以少量待取試液潤洗 2次

• 檢查安全吸球無漏氣後，裝接在吸量管上端

• 安全吸球不要裝入太深，以免擋住控制氣閥

• 吸量管的管口放進溶液中，不宜放的太淺，以免 吸到空氣

• 吸取溶液超過吸量管標線，調整溶液到標線位置

• 轉置溶液於接收器皿時，吸量管口需貼靠器壁

• 拔除安全吸球，全部流放後停留約15秒

• 殘餘尖端溶液不強制排放

• 實驗後儘速沖洗乾淨

16

▪ 壓按A閥排氣，擠壓球 體，將吸球內空氣排出

▪ 壓按S閥吸液，球體慢 慢膨脹將液體吸入管內

▪ 壓按E閥排液，則可將

液體排放