碘鐘實驗

碘鐘實驗

Iodine Clock Experiment

第 12 組

2015 年 3 月 18 日

目 錄

 實驗記錄與結果

→初期反應速率法‧‧‧‧‧‧‧‧‧2

→積分做圖法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6

 誤差檢討‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11

 實驗心得‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12

 實驗分工細目表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13

實驗八 碘鐘實驗-反應級數之測定-

日期:104/03/11、104/03/18 組別:十二

姓名: 范郡庭、孫敏育 學號: 0033B035、0033B039

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 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 2 110

2 2 2 1 1 0 4 66

3 4 0 1 1 2 2 60

◎當溶液中的 Na²S²O³ 用盡時，容易鐘便會有多餘的 I²與澱粉作用而使容易呈深藍色。

◎混合液總體積皆為 10ml

2. 計算各反應物的起始濃度及試驗 1、2、3 的初速率:

Rate= ^{−∆﹝𝑆 2 𝑂 8 2− ﹞}

∆𝑡 = ⁻

1

2 ∆﹝S ₂ O ₃ ²⁻ ﹞

∆𝑡

限 量 試 劑

編號

混和液中反應物起始濃度(M) 平均時間 (∆t)

反應速率 rate(M/sec) [S²O^32-] [S²O^82-] [I^-]

1 5×10^-4 0.02 0.04 110 2.272×10^-6 2 5×10^-4 0.04 0.04 66 3.788×10^-6 3 5×10^-4 0.02 0.08 60 4.167×10^-6

※反應物起始濃度計算式：

(1)﹝S₂O₃²⁻﹞=^{𝐶𝑀(𝑀)×𝑉(𝐿)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.005(𝑀) × 1×10⁻³(𝐿)

10×10⁻³(𝐿) =5 × 10⁻⁴(𝑀)(編號 1~3 濃度皆同) (2) ﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞=^{𝐶𝑀(𝑀)×𝑉(𝐿)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.1(𝑀) × 2×10⁻³(𝐿)

10×10⁻³(𝐿) =2 × 10⁻²(𝑀)(編號 1、3) ﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞=^{𝐶𝑀(𝑀)×𝑉(𝐿)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.1(𝑀) × 4×10⁻³(𝐿)

10×10⁻³(𝐿) =4 × 10⁻²(𝑀)(編號 2)

※反應速率計算式：Rate=^{−∆﹝𝑆2𝑂82−﹞}

∆𝑡 =⁻

1

2∆﹝S₂O₃²⁻﹞

∆𝑡

→Na²S²O³ 作為限量試劑，當限量試劑用完時也代表實驗結束，因此利用已知的 ﹝S₂O₃²⁻﹞=5 × 10⁻⁴(𝑀)帶入上列公式，即可求出反應速率。各杯反應速率 計算式如下所示：

【編號 1】rate¹=⁻

1

2∆﹝S₂O₃²⁻﹞

∆𝑡 =⁻

1

2×(−5×10⁻⁴)(𝑀)

110(𝑠) =2.272×10^-6 (M/S) 【編號 2】rate²=⁻

1

2∆﹝S₂O₃²⁻﹞

∆𝑡 =⁻

1

2×(−5×10⁻⁴)(𝑀)

66(𝑠) =3.788×10^-6 (M/S) 【編號 3】rate³=⁻

1

2∆﹝S₂O₃²⁻﹞

∆𝑡 =⁻

1

2×(−5×10⁻⁴)(𝑀)

60(𝑠) =4.167×10^-6 (M/S) 3. 計算相對於 S²O^82-和 I^-的反應級數 m 與 n。(以二位有效數字表示)

→反應速率與反應物濃度之間的關係可用速率定律式(rate law)表示：

Rate=k﹝A﹞^m﹝B﹞ⁿ

K=速率常數(rate constant)，在常溫下為定值。對反應物 A 而言，反應級數 為 m；對反應物 B 而言，反應級數為 n；總反應級數為 m+n。

→本次實驗分次將反應物𝑆₂𝑂₈²⁻與 I^-之起始濃度增為 2 倍，其他測定條件維持不 變。其中試驗 1、2、3 之反應速率分別以 r¹、r²、r³表示，經由比較其反應速率 可以決定反應級數 m 與 n，公式如下所示：

r₂

r₁ =^k(2﹝S2O8

2−﹞)^m(﹝I⁻﹞)ⁿ k(﹝S₂O₈²⁻﹞)^m(﹝I⁻﹞)ⁿ =2^m

r₃

r₁ =^k(﹝S2O8

2−﹞)^m(2﹝I⁻﹞)ⁿ k(﹝S₂O₈²⁻﹞)^m(﹝I⁻﹞)ⁿ =2^𝑛

將實驗所測得知反應速率各別帶入即可得知反應級數 m 和 n，計算式如下所示：

(1) m 值計算：

r₂

r₁ =^{3.788×10−6 (M/S)}

2.272×10⁻⁶(M/S)=2^m

r₂

r₁ =^{3.788×10−6 (M/S)}

2.272×10⁻⁶(M/S) = 2^m(上下約去 10^-6)

r₂

r₁ =^3.788

2.272 ≅ 1.667= 2^m (上下相除) Log(1.667)=log( 2^m) (左右取對數) m=𝐥𝐨𝐠 (𝟏.𝟔𝟔𝟕)

𝐥𝐨𝐠 (𝟐) ≅0.737 (2) n 值計算：

r₃

r₁ =^{4.167×10−6 (M/S)}

2.272×10⁻⁶(M/S)=2ⁿ

r₂

r₁ =^{4.167×10−6 (M/S)}

2.272×10⁻⁶(M/S) = 2ⁿ(上下約去 10^-6)

r₂

r₁ =^4.167

2.272 ≅ 1.833= n (上下相除) Log(1.833)=log( 2ⁿ) (左右取對數) n=𝐥𝐨𝐠 (𝟏.𝟖𝟑𝟑)

𝐥𝐨𝐠 (𝟐) ≅0.874

4. 計算本實驗之速率常數(k)。

→取編號 1 之實驗數據並將以求得的 m 和 n 帶入反應速率定律式，即可求出 k 值。

→反應速率定律式：Rate=k﹝S₂O₈²⁻﹞^m﹝I⁻﹞ⁿ

→K 值計算式如下：

Rate

=2.273×10

=k(0.02)

(0.04)

k= ^{2.273×10−6}

(0.02)

(0.04)

≅6.77×10

→反應速率定律式：Rate=k﹝S₂O₈²⁻﹞^m﹝I⁻﹞ⁿ，將以求得之 m、n、k 值帶入。

→Rate=6.77 × 10⁻⁴﹝S₂O₈²⁻﹞^0.737﹝I⁻﹞^0.874 6. 自行設計實驗之取量

預定變色時間: 80(sec) ;實測變色時間: 85(sec)

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 x=3.05 0.2M NaCl 2 0.1M K²SO⁴ 4-x=0.95

※先設定∆𝑡(參考實驗編號 1~3 之秒數)，再算出𝐾₂𝑆₂𝑂₈預定用量 x 與𝐾₂𝑆𝑂₄預定 用量 4-x，最後進行實驗測定實際變色時間。計算過程如下所示：

Rate= ^{−∆﹝𝑆}

^𝑂

2−

﹞

∆𝑡 = ⁻

1

2

∆﹝S

O

﹞

∆𝑡 = ⁻

1

2

×(−5×10

)(𝑀)

∆𝑡 = k﹝S ₂ O ₈ ²⁻ ﹞ ^m ﹝I ⁻ ﹞ ⁿ

→依據上述公式帶入表定之濃度、預定時間，並將

﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞設為 x

(0 < x < 4, x ≠ 2)

→ ⁻

1

2

×(−5×10

)(𝑀)

80(𝑠) =

10 )^0.737(0.04)^0.874

→X=3.05

※根據上述計算結果可得知 0.1M 之

※本次實驗結果之誤差率：5.8%

(二) 積分作圖法 1. 反應時間測定:

編號

2%

澱粉 (mL)

1M NaI (mL)

0.2M Na²S²O³

(mL)

蒸餾水 (mL)

0.15M K²S²O⁸

(mL)

反應時間(t,sec)

1 1 5 5.5 1.5 5 693 2 1 5 4.5 2.5 5 476 3 1 5 3.5 3.5 5 314 4 1 5 2.5 4.5 5 231 5 1 5 1.5 5.5 5 127 6 1 5 0.5 6.5 5 45

◎當溶液中的 Na²S²O³ 用盡時，容易鐘便會有多餘的 I²與澱粉作用而使容易呈 深藍色。

◎混合液總體積皆為 18ml

限 量 試 劑

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∆[S²O^32-]=2∆[S²O^82-]，因此，當經時間 t，反應液變色時(即溶液中 計時劑 Na²S²O³用盡，溶液呈現深藍色)，溶液中剩餘之[S²O^82-]，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 S²O^32-莫耳數。

(2) 計算溶液中 S²O^82-之莫耳數。

(3) 由∆[S²O^32-]=2∆[S²O^82-]關係式，計算經時間 t 後，每杯中 S²O^82-之剩餘 量(mol),並計算其濃度(M,mol/L)

(4) 計算六次試驗之 ln[S²O^82-]及 1/[S²O^82-]。

(5) 詳列以上各步算式並列表表示此一部分計算結果。

編號

S²O^32- 最初 (mole)

S²O^82- 最初 (mole)

S²O^82- 剩下 (mole)

[S²O^82-] (M)

ln[S²O^82-] 1/[S²O^82-]

1 1.1×10^-3 7.5×10^-4 2×10^-4 0.0111 -4.5 90.1 2 9×10^-4 7.5×10^-4 3×10^-4 0.0167 -4.1 59.9 3 7×10^-4 7.5×10^-4 4×10^-4 0.0222 -3.8 45.0 4 5×10^-4 7.5×10^-4 5×10^-4 0.0278 -3.6 36.0 5 3×10^-4 7.5×10^-4 6×10^-4 0.0333 -3.4 30.0 6 1×10^-4 7.5×10^-4 7×10^-4 0.0389 -3.2 25.7 計算式如下所示：

(1)由各杯中所加 Na²S²O³體積及濃度，計算 S²O^32-莫耳數。

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (5.5 × 10⁻³)(𝐿) = 1.1 × 10⁻³(編號 1)

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (4.5 × 10⁻³)(𝐿) = 9 × 10⁻⁴(編號 2)

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (3.5 × 10⁻³)(𝐿) = 7 × 10⁻⁴(編號 3)

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (2.5 × 10⁻³)(𝐿) = 5 × 10⁻⁴(編號 4)

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (1.5 × 10⁻³)(𝐿) = 3 × 10⁻⁴(編號 5)

﹝S₂O₃²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.2(M) × (0.5 × 10⁻³)(𝐿) = 1 × 10⁻⁴(編號 6)

(2) 計算溶液中 S²O^82-之莫耳數。

﹝S₂O₈²⁻﹞mole=𝐶_𝑀(𝑀) × 𝑉(𝐿)=0.15(M) × (5 × 10⁻³)(𝐿) = 7.5 × 10⁻⁴(每杯濃度 皆同)

(3)由∆[S²O^32-]=2∆[S²O^82-]關係式，計算經時間 t 後，每杯中 S²O^82-之剩餘量(mol), 並計算其濃度(M,mol/L)

(a)剩餘

﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞mole

=初始﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole −使用﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole

=初始﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole−(¹

2∆﹝S₂O₃²⁻﹞) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 1.1 × 10⁻³) = 2 × 10⁻⁴(編號 1) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 9 × 10⁻⁴) = 3 × 10⁻⁴(編號 2) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 7 × 10⁻⁴) = 4 × 10⁻⁴(編號 3) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 5 × 10⁻⁴) = 5 × 10⁻⁴(編號 4) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 3 × 10⁻⁴) = 6 × 10⁻⁴(編號 5) 剩餘﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞mole=7.5 × 10⁻⁴ − (¹

2× 1 × 10⁻⁴) = 7 × 10⁻⁴(編號 6) (b)

﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞剩餘濃度(M)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)=^{剩餘﹝𝑆2𝑂82−﹞mole}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^2×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0111(𝑀)(編號 1)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^3×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0167(𝑀)(編號 2)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^4×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0222(𝑀)(編號 3)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^5×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0278(𝑀)(編號 4)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^6×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0333(𝑀)(編號 5)

﹝𝑆₂𝑂₈²⁻﹞剩餘濃度(M)= ^7×10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.0389(𝑀)(編號 6)

(4)

(a)ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞

ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0111) = −4.5(編號 1) ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0167) = −4.1(編號 2) ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0222) = −3.8(編號 3) ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0111) = −3.6(編號 4) ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0111) = −3.4(編號 5) ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = ln(0.0111) = −3.2(編號 6)

(b) ¹

﹝𝑆

𝑂

﹞ 1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0111 = 90.1(編號 1)

1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0167 = 59.9(編號 2)

1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0222 = 45.0(編號 3)

1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0278 = 36.0(編號 4)

1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0333 = 30.0(編號 5)

1

﹝𝑆

𝑂

﹞ = ¹

0.0389 = 25.7(編號 6)

3. 分別以[S²O^82-]、ln[S²O^82-]、1/[S²O^82-](為 Y 軸)對時間 t 做圖。

(a)零級反應(zero order reaction)

(b)一級反應(first order reaction)

(c)二級反應(second order reaction)

y = -4E-05x + 0.0384 R² = 0.9603

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

0 200 400 600 800

[S 2 O 8 2 - ]( M)

t(sec)

零級反應對時間作圖

y = -0.002x - 3.1396 R²= 0.9976

-5 -4 -3 -2 -1 0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

ln[ S 2 O 8 2 - ]

t(sec)

一級反應對時間作圖

數列1

y = 0.0994x + 16.541 R² = 0.9722

0 20 40 60 80 100

0 100 200 300 400 500 600 700 800

1/ [S 2 O 8 2 - ]

二級反應對時間作圖

數列1 線性(數列1)

-●- t 與[S²O82-

]之關係

─趨勢線(t 與[S²O82-

] 之關係)

t 與 ln[S²O82-]之關係

t 與 1/[S²O82-]之關係

─ 趨勢線(t 與 ln[S²O82-

] 之關係)

─ 趨勢線(t 與 1/[S²O82-

]

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

(原因：由一級反應作圖之 R²值為 0.9976，此數值相較於其他及數值 R²值最為 接近 1，因此判別此次實驗之反應級數為一級反應。)

→速率常數(k):0.002

(原因：

ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞ = −kt + ln ﹝𝑆 ₂ 𝑂 ₈ ²⁻ ﹞)

二、 誤差討論

1. 藥劑調配誤差：在調配藥劑時，由第一杯依序加藥至第六杯會導致藥劑體積上 的誤差。當加藥至第六杯時，有些溶液已於其他杯中蒸發，導致藥劑體積與實 驗本上所記載之體積量不符，造成實驗誤差。再者，重複使用 tips 會殘留些 許溶液在 tip 管內，導致所加藥量有些微增減，導致實驗誤差產生。

2. 計時誤差：在進行計時動作時，需要一邊看燒杯內溶液變色與否，一邊看著計 時器，並於溶液顏色轉變時終止計時。然而，杯內溶液在為變色前為透明狀，

在周圍景觀影響判別溶液顏色是否轉變之下，常常錯失終止計時的時間點。再 者，於等待溶液變色時會進行濃度計算等雜事，在分心的狀態下錯過終止計時 的時間點，造成實驗數據上的誤差。

3. 實驗操作誤差：將磁攪拌子加入杯中溶液時，應將燒杯微微傾斜，使磁攪拌子 順著杯壁滑落杯中溶液內，而不會導致杯中溶液飛濺至杯壁，導致杯內可反應 之溶液量減少，造成實驗數據上的誤差。再者，應注意加熱攪拌器之轉速是否 適當，轉速過快亦會造成杯中溶液飛濺，使杯內可反應之溶液量減少，造成實 驗數據上的誤差。

4. 數據計算誤差：依據第一堂碘鐘實驗客之小測驗，使我們熟悉實驗數據計算流 程。在數據計算過程中常需使用指數、對數之運算，需透過工程計算機之協助，

然而在使用工程計算機時，常因不甚熟捻工程計算機之使用，抑或輸入數字錯 誤，導致實驗數據上的誤差。

三、實驗心得

郡庭：

這一次的碘鐘實驗分了兩次來做，第一次用的藥品比較多，在加入藥品的時候都 非常緊張，擔心一不小心會重複加到同一藥品或少加一種藥品；第二次的實驗中，

藥品的種類變少了，但加在燒杯中的量卻比前一次做實驗中還要多，一不小心分 心就會忘記自己加到第幾次的量；還有這一次的實驗很多時間都是在等待，所以 要更加謹慎在藥品的部分，很擔心再一次重做會做不完實驗。在第一次實驗中，

因為我自己加入藥品速度太慢，導致我們杯中的藥品都反應完了，我卻還沒有把 藥品加到規定的量，結果又要再做一次實驗。雖然多做一次實驗，但我也記住了，

要用最精準、最快速的方法把實驗做好。每一次實驗都是一種學習，可以看見不 同的藥品相加會有不同的反應外，我都會去想到當初發現這些變化、做出這些實 驗的人，花了多少的心血在一項我們現在可用來練習的實驗上。實驗課，除了動 手操作，也讓我思考到在它背後前人的努力。這像是一種跨時代的教學，他們所 做的結果和過程透過一代代教學和書面介紹傳下來，這也讓我更期待以後與其它 不同的”實驗家”好好學習，從實驗中學到更多東西。

敏育：

於配置碘鐘實驗藥劑時，常因微量分注器使用不夠熟捻，導致吸取藥劑時於 tip 管內殘留空氣氣泡，需要重新再次吸取藥劑，造成藥劑配置上的耗時，也使燒杯 藥劑暴露於空氣中過久，藥劑隨時間流逝而蒸發導致配置藥劑量與實驗本上有所 出入，進而導致實驗數據計算上的誤差。再者，本次實驗需要計時，常因實驗已 外的事務分心而導致錯過終止計時的時間點，造成實驗數據上的誤差。

透過本次實驗，看著自己一學期以來的學習是還不夠努力的，助教常常耳提面 命的實驗重點與技巧都尚未牢牢記住，實驗失敗與數據計算錯誤等事層出不窮，

也許是對於實驗內容掌握度不足以及粗心大意造成，也需檢討自身在實驗操作上，

是否過於躁進而未確實依循步驟操作實驗。

每次的實驗課皆是一次的成長，佩瑛助教賣力以及紮實的教學，總解開我每次 寫預報時遇到的困難與疑問，再搭配正課的教學使我真正認識到化學是一門廣博 的學問，而我還在汲取前人與師長的協助，以期能夠有所成長。

四、分工細目表

實驗 結報

藥品添加 郡庭&敏育 文字內容 郡庭&敏育

計時 郡庭&敏育 表格製作 郡庭

紀錄 郡庭&敏育 圖表製作 郡庭

計算 郡庭&敏育 計算式 敏育

登記數據 敏育 校訂 郡庭&敏育

登記作圖 郡庭 排版 敏育

儀器收拾 郡庭&敏育