反應級數之測定

碘鐘實驗

反應級數之測定

2016/03/09 生科 1A 第三組

0043B021 林依蓁 & 0043B023 周俞均

目錄

 實驗紀錄及結果 P.2 ~ P.11

→初期反應速率法 P.2 ~ P.5

→積分作圖法 P.5 ~ P.11

 誤差討論 P.11

 實驗心得 P.12 ~ P.13

 工作分配 P.13

一、實驗紀錄及結果 (一)初期反應速率法 1.反應時間測定

編號

0.2M NaI (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 2 111.9

② 2 2 1 1 0 4 60.8

③ 4 0 1 1 2 2 60.7

2.計算各反應物的起始濃度及試驗①、②、③的初速率：

rate =

∆𝑡

=

∆𝑡

編號 混合液中反應物起始濃度(M) 平均時間

∆𝐭 (sec)

反應速率 rate(M/sec) [

S

O

S

O

① 5× 10⁻⁴ 2× 10⁻² 4× 10⁻² 111.9 −2.2341 × 10⁻⁶

② 5× 10⁻⁴ 4× 10⁻² 4× 10⁻² 60.8 −4.1118 × 10⁻⁶

③ 5× 10⁻⁴ 2× 10⁻² 8× 10⁻² 60.7 −4.1186 × 10⁻⁶

(Ⅰ)反應物起始濃度計算：

[S2O32-]= ^{濃度(𝑀)×體積(𝐿)}

總溶液體積(𝐿) =^{0.005×1×10−3}

10×10⁻³ = 5 × 10⁻⁴(M) ―①、②、③

[S2O82-]= ^{0.1×2×10−3}

10×10⁻³ =2× 10⁻² ―①、③

[S2O82-]= ^{0.1×4×10−3}

10×10⁻³ =4× 10⁻² ―②

[𝐼⁻]= ^{0.2×2×10−3}

10×10⁻³ =4× 10⁻²―①、②

[𝐼⁻]= ^{0.2×4×10−3}

10×10⁻³ =8× 10⁻²―③ (Ⅱ)反應速率計算：

◆由於𝐍𝐚_𝟐𝐒_𝟐𝐎_𝟑為限量試劑，反應結束後不會有剩餘，故將其反應期間內的濃

度變化量除以時間，即可得到反應速率。

Rate1=^{−12∆[𝑆2𝑂32−]}

∆𝑡 =⁻

1

2×5×10⁻⁴

111.9 = −2.2341 × 10⁻⁶(M/sec) Rate2=^{−12∆[𝑆2𝑂32−]}

∆𝑡 =⁻

1

2×5×10⁻⁴

60.8 = −4.1118 × 10⁻⁶(M/sec) Rate3=^{−12∆[𝑆2𝑂32−]}

∆𝑡 =⁻

1

2×5×10⁻⁴

60.7 = −4.1186 × 10⁻⁶(M/sec)

3.計算相對於𝑆₂𝑂₈²⁻和 𝐼⁻的反應級數 m 與 n。(以二位有效數字表 示)

(Ⅰ) m 值計算:

𝑟𝑎𝑡𝑒2

𝑟𝑎𝑡𝑒1= 𝑘(2[𝑆₂𝑂₈²⁻])^𝑚[𝐼⁻]^𝑛

𝑘[𝑆₂𝑂₈²⁻]^𝑚[𝐼⁻]^𝑛 = 2^𝑚 = −4.1118 × 10⁻⁶

−2.2341 × 10⁻⁶ ≈ 1.8405 → 𝑙𝑜𝑔2^𝑚 = 𝑙𝑜𝑔1.8405

→ 𝑚 × 𝑙𝑜𝑔2 = 𝑙𝑜𝑔1.8405 → 𝑚 =𝑙𝑜𝑔1.8405

𝑙𝑜𝑔2 ≈ 0.88

(Ⅱ) n 值計算:

𝑟𝑎𝑡𝑒3

𝑟𝑎𝑡𝑒1= 𝑘[𝑆₂𝑂₈²⁻]^𝑚(2[𝐼⁻])^𝑛

𝑘[𝑆₂𝑂₈²⁻]^𝑚[𝐼⁻]^𝑛 = 2^𝑛 = −4.1186 × 10⁻⁶

−2.2341 × 10⁻⁶≈ 1.8435 → 𝑙𝑜𝑔2^𝑛 = 𝑙𝑜𝑔1.8435

→ 𝑛 × 𝑙𝑜𝑔2 = 𝑙𝑜𝑔1.8435 → 𝑛 =𝑙𝑜𝑔1.8435

𝑙𝑜𝑔2 ≈ 0.88

4.計算本實驗之速率常數(k 值)。

 取編號 1 數據，將以求得的 m.n 值代入：

rate1 = −2.2341 × 10⁻⁶= k[𝑆₂𝑂₈²⁻]^0.88× [𝐼⁻]^0.88 = 𝑘(0.02)^0.88× (0.04)^0.88

k = −2.2341 × 10⁻⁶

(0.02)^0.88× (0.04)^0.88 ≈ −1.20 × 10⁻³ (𝑚𝑜𝑙⁻¹∙ 𝐿 ∙ 𝑠𝑒𝑐⁻¹)

5.寫出正確之速率定律式。

rate = −1.20 × 10⁻³× [𝑆₂𝑂₈²⁻]^0.88× [𝐼⁻]^0.88

6.自行設計實驗之取量。

預定變色時間：__70__秒；實測變色時間：__78__秒

試劑 預定取量(mL)

2% starch 1

0.2M NaI 2

0.2M NaCl 2

0.005M Na2S2O3 1

0.1M K2S2O8 x = 3.41

0.1M K2SO4 4 - x = 0.59

(Ⅰ)設∆t(參考實驗編號 1-3 的秒數)=70 (s)

(Ⅱ)設 0.1M K2S2O8 預定取量為 x mL (0 < x < 4 ，x ≠ 2)

(Ⅲ)代入公式 rate = ^{−∆[𝑆2𝑂82−]}

∆𝑡 = ^{−12∆[𝑆2𝑂32−]}

∆𝑡

→

−1

2 × (5 × 10⁻⁴) 70

(𝑀)

(𝑠) = −1.20 × 10⁻³× (0.1𝑥 10 )

0.88

× (0.04)^0.88

→ x = 3.41 (mL)

(二)積分作圖法 1. 反應時間測定:

編號 2%澱粉 (mL)

1M NaI(mL)

0.2M 𝑵𝒂_𝟐𝑺_𝟐𝑶_𝟑

(mL)

蒸餾水 (mL)

0.15M 𝑲_𝟐𝑺_𝟐𝑶_𝟖 (mL)

反應時間(t, sec)

① 1 5 5.5 1.5 5 1023.55

② 1 5 4.5 2.5 5 706.24

③ 1 5 3.5 3.5 5 495.63

④ 1 5 2.5 4.5 5 328.70

⑤ 1 5 1.5 5.5 5 188.10

⑥ 1 5 0.5 6.5 5 62.00

◆六杯溶液的總體積均為 18(mL)。

2. 在此六次實驗中，反應物(NaI、𝐾₂𝑆₂𝑂₈)之濃度均相同，僅是計時 劑𝑁𝑎₂𝑆₂𝑂₃用量不同。由於Δ[𝑆₂𝑂₃²⁻] = 2Δ[𝑆₂𝑂₈²⁻]，因此，當經時 間 t，反應液變色時(即溶液中計時劑𝑁𝑎₂𝑆₂𝑂₃用盡，容液呈現深藍 色)，溶液中剩餘之[𝑆₂𝑂₈²⁻]，可由反應液內所加入之𝑁𝑎₂𝑆₂𝑂₃的量來 計算:

(1)由各杯中所加𝑁𝑎₂𝑆₂𝑂₃體積及濃度，計算𝑆₂𝑂₃²⁻莫耳數。

(2)計算溶液中𝑆₂𝑂₈²⁻之莫耳數。

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

(4)計算六次試驗之 ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]及 1/[𝑆₂𝑂₈²⁻]。

(5)詳列以上各步算式並列表表此一部分計算結果。

編 號

𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−

最初 (mole)

𝑺_𝟐𝑶_𝟖^𝟐−

最初 (mole)

𝑺_𝟐𝑶_𝟖^𝟐−

剩下 (mole)

[𝑺_𝟐𝑶_𝟖^𝟐−] (M)

ln[𝑺_𝟐𝑶_𝟖^𝟐−] 𝟏 [𝑺_𝟐𝑶_𝟖^𝟐−]

① ^{1.1 × 10−3 7.5 × 10−4 2 × 10−4 0.011} -4.51 90.90

② ^{9 × 10−4 7.5 × 10−4 3 × 10−4 0.017} -4.07 58.82

③ ^{7 × 10−4 7.5 × 10−4 4 × 10−4 0.022} -3.82 45.45

④ ^{5 × 10−4 7.5 × 10−4 5 × 10−4 0.028} -3.58 35.71

⑤ ^{3 × 10−4 7.5 × 10−4 6 × 10−4 0.033} -3.41 30.30

⑥ ^{1 × 10−4 7.5 × 10−4 7 × 10−4 0.039} -3.24 25.64 計算方式如下:

(1) 由各杯中所加𝑁𝑎₂𝑆₂𝑂₃體積及濃度，計算𝑆₂𝑂₃²⁻莫耳數。

𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) =濃度(M)× 體積(L) = 0.2(M) × 5.5 × 10⁻³(𝐿) = 1.1 × 10⁻³(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―① 𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) = 0.2(M) × 4.5 × 10⁻³(𝐿) = 9 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―②

𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) = 0.2(M) × 3.5 × 10⁻³(𝐿) = 7 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―③ 𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) = 0.2(M) × 2.5 × 10⁻³(𝐿) = 5 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―④ 𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) = 0.2(M) × 1.5 × 10⁻³(𝐿) = 3 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―⑤

𝑺_𝟐𝑶_𝟑^𝟐−(mole) = 0.2(M) × 0.5 × 10⁻³(𝐿) = 1 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―⑥

(2)計算溶液中𝑆₂𝑂₈²⁻之莫耳數。

𝑆₂𝑂₈²⁻(mole) =濃度(M)× 體積(L) = 0.15(M) × 5 × 10⁻³(𝐿) = 7.5 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) ―① 由於六杯溶液中加入的𝐾₂𝑆₂𝑂₈均為 5(mL)，因此 𝑆₂𝑂₈²⁻的莫耳數都是7.5 × 10⁻⁴莫 耳。

(3)由Δ[𝑆₂𝑂₃²⁻] = 2Δ[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)。

(Ⅰ)計算𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘莫耳數(mole):

Δ[𝑆₂𝑂₃²⁻] = 2Δ[𝑆₂𝑂₈²⁻] →Δ[𝑆₂𝑂₈²⁻] = ^{Δ[𝑆2𝑂32−]}

2

𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mol) = 7.5 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒) − ^{𝑺𝟐𝑶𝟑𝟐−(mole)}

2

𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^1.1×10−3

2 = 2 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―①

𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^9×10−4

2 = 3 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―② 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^7×10−4

2 = 4 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―③ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^5×10−4

2 = 5 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―④ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^3×10−4

2 = 6 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―⑤ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(mole)= 7.5 × 10⁻⁴−^1×10−4

2 = 7 × 10⁻⁴(𝑚𝑜𝑙𝑒)―⑥

(Ⅱ)計算𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘濃度(M, mole/L):

濃度(M)= ^{莫耳數(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

總體積(𝐿)

𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{2×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.011(M)―① 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{3×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.017(M)―② 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{4×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.022(M)―③ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{5×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.028(M)―④ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{6×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.033(M)―⑤ 𝑆₂𝑂₈²⁻之剩餘量(M)=^{7×10−4(𝑚𝑜𝑙𝑒)}

18×10⁻³(𝐿) = 0.039(M)―⑥

(4)計算六次試驗之 ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]及 1/[𝑆₂𝑂₈²⁻]。

(Ⅰ) ln[𝑆₂𝑂₈²⁻] :

ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.011]=-4.51―① ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.017]=-4.07―② ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.022]=-3.82―③ ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.028]=-3.58―④

ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.033]=-3.41―⑤ ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]= ln[0.039]=-3.24―⑥

(Ⅱ) ¹

[𝑆₂𝑂₈²⁻] :

1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.011= 90.90―① 1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.017= 58.82―② 1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.022= 45.45―③ 1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.028= 35.71―④ 1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.033= 30.30―⑤ 1

[𝑆₂𝑂₈²⁻]= 1

0.039= 25.64―⑥

3. 分別以[𝑆₂𝑂₈²⁻]、ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]、1/[𝑆₂𝑂₈²⁻](為 Y 軸)對時間 t 作圖。

(Ⅰ) 零級反應 ( Zero Order Reaction )

(Ⅱ) 一級反應 ( First Order Reaction )

y = -3E-05x + 0.0385 R² = 0.9693

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0

[S

O

](M )

T(SEC)

(Ⅲ) 二級反應 ( Second Order Reaction)

4. 由 3 之結果，判斷此反應對反應物𝐾₂𝑆₂𝑂₈而言:

(Ⅰ) 反應級數:一級反應

原因: 因為一級反應中的𝑅² = 0.9995最接近 1，其呈線性的趨勢最為明顯，

故判斷此反應為一級反應。

(Ⅱ) 速率常數(k):0.0013

原因: ln[𝑆₂𝑂₈²⁻] = -kt + ln[𝑆₂𝑂₈²⁻]

y = -0.0013x - 3.1574 R² = 0.9995

-5 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

0 200 400 600 800 1000 1200

ln [S

O

]

T(SEC)

y = 0.0669x + 16.52 R² = 0.962

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 200 400 600 800 1000 1200

1/ [S

O

]

T(SEC)

由一級反應中的直線方程式可知 -0.0013 = -k

故 k=0.0013

二、誤差討論

(1)對 tip 太客氣: 清洗過後的 tip 上有殘留部分的藥品及蒸餾水，造成 溶液的濃度改變，進而在自行無法在設計實驗的部分如期變色。

→該換 tip 就要換 tip !!!!!

(2)加藥時的人工誤差: 取藥時 tip 上可能有一些氣泡，使溶液的總體機 跟實際值有差距；pipetman 在使用一陣子後需檢查刻度是否有偏差，避 免體積取量不準。

(3)反應時的加藥速度: 反應進行時加藥要快，避免拉長反應時間。

→先準備多隻 pipetman，將欲加入的藥品總體積先吸入 tip 中，藥品便可 在同一時間內一起加入。

 實驗重作檢討:

這次的重作我們依舊在誤差容許範圍外。一開始實驗進行的很流 暢，m、n、k 值都與老師的數據相同，但在最後自行設定時間的部分，

懷疑可能是我們加𝑲_𝟐𝑺_𝟐𝑶_𝟖速度太慢，拉長了反應時間，使結果跟預設值 差了 8 秒。

三、實驗心得

依蓁

這是下學期的第一次實驗課，難度明顯比上學期提高許多。而本次碘鐘實 驗分了兩次來作，分別要配置出 3、6 杯溶液。在加入藥品的過程中心情都格

外的緊張，要注意微量吸量管所吸上來的液體有沒有夾雜氣泡或是深怕一個出

神就會忘記自己加了多少藥品。加完藥品後要計時並等待溶液變色，在變色的

那一瞬間要按下停止，不過幸好沒有出現手誤，所以順利的闖過這個關卡。得

到了三個秒數後，還要經過縝密的計算才能求得速率定律式。爾後，在自行設

計實驗的那一部份，每次的秒數都跟預測值相差超過 5 秒，所以我們重做了好

多次，但是差值一次比一次大，這情況真的超令人崩潰，最後一次重做，我們

算的 m.n.k 值跟老師試算的數值都相同，但是在加藥品的時候動作稍微慢了幾

秒，時計秒數就又跟估計值差太多了。經歷了第一周的苦痛打擊，第二周的實

驗我們格外細心。皇天不負苦心人，R²值算出來是 0.9995，這也算是個完美結

果吧。

俞均

只能說這次的實驗真的是讓我又愛又恨。愛是因為在積分作圖法的部分，

我們的𝑅²=0.9995，非常的接近 1，即便反應過程等了很長的時間，但一看到結

果都覺得沒有白費眼力了。恨就是因為在初期反應速率法，我們重作了 3 次實

驗，但結果都一直不如預期，即便第 3 次我們再怎麼小心翼翼，最後反應時間

還是太長。雖然最後沒有成功在預設時間上變色，但是每做一次也就對實驗流

程及計算更加熟練。另外還要謝謝 TA 們在我們作實驗時錄製很多小影片，讓

原本很乏味的反應等待時間，也多出了許多有趣畫面。

四、工作分配

初期反應速率法

文字內容 依蓁

計算式 依蓁

表格製作 依蓁

排版 依蓁&俞均

校訂 俞均

積分作圖法

文字內容 俞均

計算式 俞均

表格製作 俞均

作圖 俞均

排版 俞均&依蓁

校訂 依蓁

封面目錄設計 俞均