實驗八碘鐘實驗 – 反應級數之測定

(1)

實驗八碘鐘實驗 – 反應級數之測定

‐實驗結果與問題討論

組別：8

姓名：蘇佑安郭沐恩

學號：0033B46 0033B017

(2)

一、實驗記錄及結果

(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 K

2

SO

4

(mL)

0.1M K

2

S

2

O

8

(mL)

反應時間 (

Δ

t) (sec)

1 2 2 1 1 2 2 129s

2 2 2 1 1 0 4 80s

3 4 0 1 1 2 2 67s

2. 計算個反應物的起始濃度及試驗 1、2、3 的初速率：

S

₂

O

₈^2‐

+ 2I

^‐

→2SO

₄^2‐

+ I

₂

………(1) 2S

2

O

32‐

+ I

2

→2I

^‐

+ S

4

O

62‐

………(2)

rate =

^∆ _∆

=

^∆_∆

=

^∆ _∆

=

^∆_∆

rate =

^∆

∆

=

^∆_∆

=

^∆_∆

=

^∆

∆

因 S

2

O

32‐

為限量試劑，故反應式(2)之初速率決定反應式(1)之初速率，

可得 rate =

^∆ _∆

=

^∆ _∆

編號混合液中反應物起始濃度(M) 平均時間

Δt(sec)

反應速率 rate(M/sec) [S2O32‐] [S2O82‐] [I^‐]

1 5×10^‐4 0.02 0.04 129s 1.938×10^‐6 2 5×10^‐4 0.04 0.04 80s 3.125×10^‐6 3 5×10^‐4 0.02 0.08 67s 3.731×10^‐6 反應物起始濃度 : （反應物原濃度×原體積）/ 總體積

ex. 編號 1. [S

2

O

32‐

]= (0.005×1)/10 = 5×10

^‐4

(M) [S

2

O

82‐

]= (0.1×2)/10 = 0.02 (M) [I

^‐

]= (0.2×2)/10 = 0.04(M)

(3)

3. 計算相對於 S

2

O

82‐

和 I

^–

的反應級數 m 與 n。（以二位有效數字表示）

rate = k[S

2

O

82‐

]

^m

[I

^–

]

ⁿ

rate1 = k(0.02)

^m

(0.04)

ⁿ

=1.938×10

^‐6

rate2 = k(0.04)

^m

(0.04)

ⁿ

=3.125×10

^‐6

rate3 = k(0.02)

^m

(0.08)

ⁿ

=3.731×10

^‐6

=2

^m

=1.612 =2

ⁿ

=1.925 m=0.689, n=0.945

4. 計算本實驗之速率常數。

k(0.02)

^0.689

(0.04)

^0.945

=1.938×10

^‐6

k=6.012×10

^‐4

5. 寫出正確之速率定律式。

rate=6.012×10

^‐4

[S

2

O

82‐

]

^0.689

[I

^‐

]

^0.945

6. 自行設計實驗之取量。

預定變色時間：90(s) ; 實測變色時間：85.08(s)

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 0.1M K2S2O8 3.39 0.2M NaCl 2 0.1M K2SO4 0.61 設

0.1M K

2

S

2

O

8預定取量為

x(mL)

rate=

^∆ _∆

=

^∆ _∆

=

^∆ _∆^.

=6.012×10

^‐4

[

^.

]

^0.689

[0.04]

^0.945

設Δt=90(s)，則 X=3.39(mL)

(4)

(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

2

S

2

O

3

(mL)

蒸餾水

(mL)

0.15M K2S2O8 (mL)

反應時間

(t, sec)

1 1 5

5.5

1.5 5 726.2

2 1 5

4.5

2.5 5 522

3 1 5

3.5

3.5 5 363.5

4 1 5

2.5

4.5 5 245.8

5 1 5

1.5

5.5 5 140.3

6 1 5

0.5

6.5 5 44.6

□^註本次實驗先將5mL 的 K2S2O8裝入試管中，再快速地倒入反應的燒杯中。(為了避免加K2S2O8的速度太慢，造成部分K2S2O8先反應完，K2S2O8卻還沒加完，

而有實驗誤差)

□^註可由Na2S2O3的取量判斷變色時間長短。Na2S2O3愈少，變色時間愈短。

△每杯溶液的攪拌速率儘量一致(勿劇烈攪拌使溶液濺出)，切勿轉開加熱鈕。

2.在此六次試驗中，反應物(NaI、K

2

S

2

O

8

)之濃度均相同，僅是計時劑 Na

2

S

2

O

3

用量不同。由於Δ[S

2

O

32-

]=2Δ[S

2

O

82-

]，因此，當經時間 t，

反應液變色時(即溶液中計時劑 Na

²

S

²

O

³

用盡，溶液呈現深藍色)，溶液中剩餘之[S

²

O

⁸^2-

]，可由反應液內所加入之 Na

²

S

²

O

³

的量來計算:

(1)由各杯中所加

Na

²

S

²

O

³體積及濃度，計算

S

²

O

³^2-莫耳數。

(2)計算溶液中

S

2

O

82-

之莫耳數。

(3)由Δ[S²

O

³^2-

]=2Δ[S

²

O

⁸^2-

]關係式，計算經時間 t 後，每杯中 S

²

O

⁸^2-之剩餘量(mol)，

並計算其濃度(M, mol/L)。

(4)計算六次試驗之

ln[S

²

O

⁸^2-

]及 1/[S

²

O

⁸^2-

]。

(5)詳列以上各步算式並列表示此一部分計算結果。

※S

²

O

⁸^2-

＋2I

^-

→2SO

⁴^2-

＋I

²

………(1)

rate=

^∆

∆

=

^∆

∆

=

^∆

∆

=

^∆

∆

2S

²

O

³^2-

＋I

²

→2I

^-

＋S

⁴

O

⁶^2-

………(2) rate=

^∆ _∆

=

^∆

∆

=

^∆

∆

=

^∆

∆

限量試劑

(計時劑) 最後加

(5)

→ rate=

^∆

∆

=

^∆

∆

→Δ[S

²

O

³^2-

]=2Δ[S

²

O

⁸^2-

]

(∵S2O32‐是限量試劑，故由式(2)之初速率決定式(1)之初速率)

編號

S2O32‐

最初 (mole)

S2O82‐

最初 (mole)

S2O82‐

剩下 (mole)

[S2O82‐] (M)

ln[S2O82‐]

1/[S2O82‐]

1 1.1×10^‐3 7.5×10^‐4 2×10^‐4 0.0111 ‐4.5008 90.0901 2 9×10^‐4 7.5×10‐4 3×10‐4 0.0167 ‐4.0923 59.8802 3 7×10^‐4 7.5×10‐4 4×10‐4 0.0222 ‐3.8077 45.0450 4 5×10‐4 7.5×10‐4 5×10‐4 0.0278 ‐3.5827 35.9712 5 3×10‐4 7.5×10‐4 6×10‐4 0.0333 ‐3.4022 30.0300 6 1×10‐4 7.5×10‐4 7×10‐4 0.0389 ‐3.2468 25.7069 設溶液取量X(mL)

 S2O32‐最初莫耳數＝Na2S2O3體積莫耳濃度(0.2M)×溶液取量體積(L) ＝Na2S2O3體積莫耳濃度(0.2M)×

＝ ^. ×

編號1：0.2(M)× ^. ＝1.1×10^‐3(mole) 編號 2：0.2(M)× ^. ＝9×10^‐4 (mole) 編號 3：0.2(M)× ^. ＝7×10^‐4 (mole) 編號 4：0.2(M)× ^. ＝5×10^‐4 (mole) 編號 5：0.2(M)× ^. ＝3×10^‐4 (mole) 編號 6：0.2(M)× ^. ＝1×10^‐4 (mole)

 S2O82‐最初莫耳數＝K2S2O8體積莫耳濃度(0.15M)×溶液取量體積(L) ＝K2S2O8體積莫耳濃度(0.15M)×

＝ ^. ×

編號1~6：0.15(M)× ＝7.5×10^‐4(mole)

(6)

 S2O82‐剩下莫耳數＝S2O82‐最初莫耳數－ ×S2O32‐最初莫耳數 (∵Δ[S²

O

⁸^2-

]= Δ[S

²

O

³^2-

] )

編號 1：7.5×10^‐4－ ×1.1×10^‐3＝2×10^‐4(mole) 編號 2：7.5×10^‐4－ ×9×10^‐4＝3×10^‐4(mole) 編號 3：7.5×10^‐4－ ×7×10^‐4＝4×10^‐4(mole) 編號 4：7.5×10^‐4－ ×5×10^‐4＝5×10^‐4(mole) 編號 5：7.5×10^‐4－ ×3×10^‐4＝6×10^‐4(mole) 編號 6：7.5×10^‐4－ ×1×10^‐4＝7×10^‐4(mole)

 [S2O82‐]＝ ^{剩下莫耳數}

反應溶液總體積 M ＝ ^{剩下莫耳數} M 編號1：＝0.0111(M)

編號2：＝0.0167(M)

編號 3：＝0.0222(M)

編號 4：＝0.0278(M)

編號 5：＝0.0333(M)

編號 6：＝0.0389(M)

 ln[S2O82‐]、1/[S2O82‐]皆以[S2O82‐]帶入 Excel 計算。

(7)

3.分別以[S

2

O

82‐

]、ln[S

2

O

82‐

]、1/[S

2

O

82‐

] (為 Y 軸) 對時間 t 作圖。

y = ‐4E‐05x + 0.0388 R² = 0.9775

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

0 200 400 600 800

[S

2

O

82‐

]

秒

零級反應

數列1 線性(數列1)

y = ‐0.0018x ‐ 3.1449 R² = 0.9989

‐5.0000

‐4.0000

‐3.0000

‐2.0000

‐1.0000 0.0000

0 200 400 600 800

ln[S

2

O

82‐

]

秒

一級反應

(8)

4.由 3 之結果，判斷此反應對反應物 K

2

S

2

O

8

而言：

反應級數：一級反應

(∵R²值最接近1，ln[S2O82‐]對時間 t 作圖最接近直線關係 ∴符合一級反應 ln[S2O82‐]=‐kt+ ln[S2O82‐]0的線性關係)

速率常數：0.0018

(∵ln[S2O82‐]=‐kt+ ln[S2O82‐]0 ∴斜率=-k → k=-斜率) 一級反應線性關係為 y = -0.0018x - 3.1449

斜率=-0.0018 k=0.0018

y = 0.093x + 16.126 R² = 0.9558

0.0000 20.0000 40.0000 60.0000 80.0000 100.0000

0 200 400 600 800

1/[S

2

O

82‐

]

秒

二級反應

(9)

二.心得

沐恩：

此次實驗讓我做得格外小心，因為怕做出來的秒數多於或是少於原來計算之數據而必須重做。在使用微量吸量管時，時刻注意吸上來的液體有沒有夾雜氣泡。

放上加熱攪拌器攪拌時，也注意倒進藥品與手指按碼錶開始鍵是否有同時。在等待溶液變色時，注意力完全不敢放在燒杯以外的地方，連附近同學走過大招呼也只是以「嗯」或是「恩亨」回答，而不管做多少次，每一次溶液變色的剎那我都會嚇一跳地按下碼錶的按鍵。後來，在計算自訂時間那一杯溶液時遇到了問題，

在先前的幾組秒數是 67~129s 之間，所以我和佑安把秒數設定為 70 秒，卻代出大於 4mL 的值，使我們頗困惑，後來發現我們須設定大於 80s，K²S²O⁸的取量才會小於 4mL，最後也順利做出符合預先設定的數值，這讓我們知道每個實驗數據都是有關連的，都不可忽略，才能成功完成實驗。

佑安：

這次的實驗圍繞著一股緊張的氛圍，不論是在量取藥品、計時，抑或在計算數值時，我們都小心翼翼，尤其是在計時的時候，深怕一個噴嚏、一個眨眼，溶液就瞬間變色，到時可就欲哭無淚，只得重來，不過還好這次做得還算順利，只有在初級反應速率法測自行設定時間的那杯溶液時，比較擔心，怕它不在誤差值範圍內，那時，我和沐恩兩人都不敢眨眼，雙眼直盯燒杯，等待變為藍色的瞬間，

幸好最後的結果在標準內。雖說實驗的結果是在標準內，但我們在計算自行設定時間的那杯溶液所需的K2S2O8時遇到了點瓶頸，在67s~129s 的範圍內，我們原先設定70s，卻代出了大於 4ml 的數值，後來我們發現秒數代愈大，所需的 K2S2O8愈少，但還是覺得有些奇怪，回頭再看一次三杯反應的數據，發現第二杯加的K2S2O8剛好是4ml(在 NaI 是 2ml 的情況下)，而時間是 80s，第一杯加的 K2S2O8是2ml，反應時間是 129s，所以我們的秒數要大於 80s，K2S2O8的取量才會小於4ml。我們第一個實驗的第二杯與第三杯秒數差的有點多，也有可能是

造成我們後來計算誤差的原因，只要其中有一杯有誤差，便會環環相扣，影響到後來計算反應速率式的結果。積分作圖法的實驗倒是做得很準，沒什麼大問題，

實驗八 碘鐘實驗 – 反應級數之測定