二、實驗技能：刻度吸量管之使用，反應速率測定

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碘鐘實驗─碘鐘交響曲

 國立臺灣大學化學系，普通化學實驗，國立臺灣大學出版中心：台北，民國 105 年。

 版權所有，若需轉載請先徵得同意；疏漏之處，敬請指正。

 臺大化學系普化教學組魏景怡助教（2007.02）、林哲仁助教（2011.07）、張 馨云助教（2016.11）。

一、目的：學習以初期反應速率法決定過硫酸根離子（S2O82-）與碘離子（I^-）反 應之反應級數及速率常數。

二、實驗技能：刻度吸量管之使用，反應速率測定。

三、原理：

（一）反應速率與反應級數

化學反應速率是以單位時間內反應物或產物之濃度變化表示，若以 aA + bB → cC 之反應為例：

dt c d[C]

dt b

d[B]

dt a (rate) d[A]

反應速率  







 (1)

反應速率與反應物濃度之間的關係可用一個數學式，稱為速率定律式 ( rate law ) 表示：

rate = k[A]^m[B]ⁿ (2)

k 為速率常數 ( rate constant ) 在定溫下為定值。對反應物 A 而言，反應級數為 m；反應物 B 而言，反應級數為 n；總反應級數為此二級數之和 m+n。反應級數 可為整數、分數或負數，且並非由化學平衡方程式係數決定，而是由反應機構 決定並經由實驗測得。本次實驗利用初期反應速率法來決定反應速率。

（二）過硫酸根離子與碘離子反應之速率定律式

本實驗欲使用初期反應速率法測定過硫酸根離子（S2O82-）與碘離子（I^－）反 應（式 3）之速率定律式（式 4）。反應速率的測定是利用在反應液內加入限量 的硫代硫酸根（S2O32-）作為計時劑，其可與反應產物之一的碘分子（I2）作用，

如式5 所示。S2O32-

與I2反應的速率極快，可以在混合的剎那間即完成，所以反 應式3 所產生的 I2可以立刻被S2O32-

作用掉而再產生I^－。事實上可視為有S2O32-

存在，I2不會存在，一旦 S2O32-消耗完時，I2與 I^－形成 I3^－，I3^－就會與原先加於

2

反應液中的澱粉指示劑生成藍黑色錯合物；記錄此藍黑色出現的時間（t），並 由S2O32-

之用量和它與S2O82-

之化學計量關係（式6），可知此段時間內S2O82-

的 濃度變化，而測得平均速率，如式7 所示。

S2O82- + 2I^－ → 2SO42- + I2 (3) rate ＝ k[S2O82-]^m[I^-]ⁿ (4) 2S2O32- + I2 → 2I^－ + S4O62- (5)

[S2O32-] ＝2[S2O82-] (6)

rate [S O ] t

1

2 [S O ] t

2 8

2 2 3

2

 

 

 







 (7)

（三）初期反應速率法

初期反應速率法是改變某一種反應物的初濃度，其它反應條件維持固定不變 進行一系列的試驗，以求取濃度變化對反應初速率的影響。反應初速率的測定，

通常是在反應物混合之初，極短的一段時間內，量測某反應物或產物濃度之變 化量作為反應初速率的近似值。

本實驗分次將反應物 S2O82-

與 I^－之起始濃度增為 2 倍，其它測定條件維持不 變，如表1 所示。其中試驗 1、試驗 2 及試驗 3 之反應初速率分別以 r1、r2及r3

表示，經由比較其反應初速率可決定反應級數m 與 n，如式 8 與 9 所示：

m n 1

n 1 1

2 2

) ] ([I k

) ] ([I k(

r

r  _{ }^ 

 m 1 2 8 2

m 1 2 8 2

) ] O ([S

) ] O

2[S (8)

n m

1 2 8 2

m 1 2 8 2 1

3 2

) ] O k([S

) ] O k([S r

r  ^_{ }^ _n 

1 n 1

) ] ([I

) ]

(2[I (9)

表1 初期反應速率法各組試劑之濃度及取量 試驗

編號

0.20 M NaI (mL)

0.20 M NaCl (mL)

0.0050 M Na2S2O3

(mL)

2%

澱粉 (mL)

0.10 M K2SO4

(mL)

0.10 M K2S2O8

(mL) 1 2.0 2.0 1.0 1.0 2.0 2.0 2 2.0 2.0 1.0 1.0 0 4.0

3 4.0 0 1.0 1.0 2.0 2.0

四、儀器及材料：刻度吸量管（5 mL，2 支）、安全吸球、錐形瓶（50 mL，10 個）、

軟木塞（6 個）、燒杯（100 mL，2 個）、計時器、工程計算機（自備）。

五、藥品：0.20 M 碘化鈉（sodium iodide，NaI）、0.10 M 過硫酸鉀（potassium persulfate，K2S2O8）、0.20 M 氯化鈉（sodium chloride，NaCl）、0.10 M 硫酸 鉀（potassium sulfate，K2SO4）、2 % 澱粉溶液（starch）、0.0050 M 硫代硫酸

3

鈉（sodium thiosulfate，Na2S2O3）。 六、實驗流程：

洗淨烘乾錐形瓶  依表 1 取量 NaI, NaCl, 澱粉, Na2S2O3, K2SO4  加入K2S2O8並開始計時  混合搖晃 20 秒  靜置記錄變色時間  二次重複試驗  計算速率定律  配製碘鐘交響曲溶液

七、實驗步驟：

步驟 示範

1.

洗淨、烘乾10 個 50 mL 錐形瓶並放冷至室溫，

貼上標籤標示之以分別進行如表1 的 3 項計時 試驗。

2.

按表1 用量，以定量液體分注器準確量取所需 的0.20 M NaI、0.20 M NaCl、0.0050 M Na2S2O3

及2%澱粉溶液置於錐形瓶中。

3.

以 5 mL 刻度吸量管分別準確量取 0.10 M K2SO4及0.10 M K2S2O8，當加入最後一個反應 物K2S2O8時，應同時開始記錄時間並儘速將試 劑完全加入反應瓶中，以軟木塞塞住瓶口且用 手搖動錐形瓶20 秒，溶液混合均勻後靜置。

註：K2S2O8為最後一個加入的試劑，應儘速全 部加入並同步計時。每次操作方式應固定，以 提高實驗精確性，搖動時注意勿使溶液外濺！

刻度吸量管的使用，參考實驗技能與示範影片。

4.

溶液一變色即停止計時，記錄反應變色時間。

（此時溶液中之計時劑 Na2S2O3用盡，I3^－與澱 粉指示劑形成藍黑色錯合物）。

註：整個溶液應是同時突然變色，若不是如此，

表示溶液沒有充分混合。

4

5. 洗淨、烘乾錐形瓶。重複上述三種不同初濃度 的計時試驗。

6. 若同一測定條件之二次重複試驗，其變色時間 的差異超過3 秒則需重做一次。

7. 計算求出速率定律式中的 m、n 及 k 值。 rate ＝ k[S2O82-]^m[I^-]ⁿ

8.

將教師所指定的變色時間（t），代入步驟 7 所 得速率定律式，設計一組試劑取量；實際量取 試劑，測量變色時間是否與預定時間一致。

註：設計取量可先將一種反應物（如I^－）之取 量體積固定，如 2.0 或 4.0 mL，僅變化另一反 應物（如S2O82-）之體積，以簡化計算。

x )m (2 )m 10 0.10 (2

)m 10 0.10 (x t t1 rate1

rateX 



 





y )m (2 )m 10 0.10 (2

)m 10 0.10 (y t t3 rate3

rateY 



 





9.

碘鐘交響曲：準備一組試劑，與他組同學一起 配合交響曲之音樂開始反應，觀察各組自行設 計之反應試劑，是否能準確地配合節奏而變色。

八、參考資料：

1. Dept. of Chemistry, U. of Illinois at Urbana-Champaign General Chemistry Experiments, Chemistry 102, 1991, Stipes Publishing Co.

2. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J. Fundamentals of Analytical Chemistry; 5th ed., 1988, Saunders College Publishing: Chicago, pp 124-130.