Iodine Clock

F Fifth team 2013.03.20

Iodine Clock

Experiment

† 目錄 †

實驗紀錄及結果:

(初期反應速率法)……1 (積分做圖法) …… 5 誤差檢討……9

心得……10

實驗組員及分工細目……11

碘鐘實驗 --- 反應級數與活化能之測定

日期：102 年 3 月 13 日 組別：第五組 姓名&學號：0013B037 郭育姍、0013B039 陳鈺儒

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 (Δt) (sec)

1 2 2 1 1 2 2 95.6

2 2 2 1 1 0 4 59.9

3 4 0 1 1 2 2 51.5

※Na2S2O3為限量試劑

※混合液的總體積皆為 10ml

2. 計算各反應物的起始濃度及試驗 1、2、3 的初速率：

rate=

2−﹞ 𝛥𝑡

=

1

2𝛥﹝𝑆₂𝑂₃²⁻﹞ 𝛥𝑡

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)

〔S2032-〕 〔S2082-〕 〔I^-〕

1 5×10^-4 2×10^-2 4×10^-2 95.6 2.615×10^-6 2 5×10^-4 4×10^-2 4×10^-2 59.9 4.174×10^-6 3 5×10^-4 2×10^-2 8×10^-2 51.5 4.854×10^-6

(i)反應物起始濃度計算式：

(a)〔S₂0₃^2-〕

〔S₂0₃^2-〕= ^𝐶𝑀_𝑉^{(M) × V(L)}

𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝐿) =0.005(M) × (1×10⁻³)L

10 ×10⁻³𝐿 = 5×10^-4→每杯皆相同

(b)〔S₂0₈^2-〕

〔S₂0₈^2-〕= ^{𝐶𝑀(M) × V(L)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.1 (M) × (2×10⁻³)L

10 ×10⁻³𝐿 =2×10^-2 →編號 1、3

〔S₂0₈^2-〕= ^{𝐶𝑀(M) × V(L)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.1 (M) × (4×10⁻³)L

10 ×10⁻³𝐿 =4×10^-2 →編號 2 (c)〔I^-〕

〔I^-〕=^{𝐶𝑀(M) × V(L)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.2 (M) × (2×10⁻³)L

10 ×10⁻³𝐿 =4×10^-2 →編號 1、2

〔I^-〕=^{𝐶𝑀(M) × V(L)}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿) =0.2 (M) × (4×10⁻³)L

10 ×10⁻³𝐿 =4×10^-2 →編號 3

(ii)反應速率計算式：

rate=^{−𝛥﹝𝑆2𝑂8}

2−﹞ 𝛥𝑡 =⁻

1

2𝛥﹝𝑆₂𝑂₃²⁻﹞ 𝛥𝑡

由於 Na2S2O3 為限量試劑，所以實驗結束後的 Na2S2O3必會用完，因此Δ﹝S₂O₃²⁻﹞= -5×10^-4代入上 方公式，即可得rate。(在此不用Δ﹝S₂O₈²⁻﹞計算，因為我們難以得知實驗後混合液剩下的﹝S₂O₈²⁻﹞，

故用Δ﹝S₂O₃²⁻﹞進行計算)

(a)編號一：

Rate =⁻

1

2Δ﹝S₂O₃²⁻﹞ Δt

=

1

2 × (−5×10⁻⁴)

95.6

=

Rate =⁻

1

2Δ﹝S₂O₃²⁻﹞ Δt

=

1

2 × (−5×10⁻⁴)

59.9

=

Rate =⁻

1

2Δ﹝S₂O₃²⁻﹞ Δt

=

1

2 × (−5×10⁻⁴)

51.5

=

3. 計算相對於 S

0

和 I

的反應級數 m、n(以二位有效數字表示)與速率常數(k)。

由三個不同濃度之速率測定,可列出以下三個速率方程:

(1). rate = k[2x10^-2]^m[4x10^-2]ⁿ = 2.615x10^-6 (2). rate= k[4x10^-2]^m[4x10^-2]ⁿ = 4.174x10^-6 (3). rate= k[2x10^-2]^m[8x10^-2]ⁿ = 4.854x10^-6

(i)計算 m 和 n 值:

(a) m 值計算:

<1>將⁽¹⁾

(2)得到^k[2x10

−2]^m[4x10⁻²]ⁿ

k[4x10⁻²]^m[4x10⁻²]ⁿ

=

<2>上下刪去

(

2

)

=0.6264973646

<3>左右曲-1 次方

2

=

<4>左右曲 log

log ( 2

)=log(

)

<5>m 為次方可以提到 log 前面m

log2=log(

)

<6>將

log2

1

0.6264973646

)

log2

=0.674169

∴ m=0.674169

(b) n 值計算:

<1>將⁽¹⁾

(3)得到^k[2x10

−2]^m[4x10⁻²]ⁿ

k[2x10⁻²]^m[8x10⁻²]ⁿ

=

<2>上下刪去

(

2

)

=0.5387309436

<3>左右曲-1 次方

2

=

<4>左右曲 log

log ( 2

)=log(

)

<5>m 為次方可以提到 log 前面n

log2=log(

)

<6>將

log2

1

0.5387309436

)

log2

=0.892363162

∴n =0.892363162

(ii)計算 k 值(速率常數):

任取(1)~(3)一組數據,將已求得的 m 與 n 代入,即可求出 k 值.

<1>取(2)數據:

rate = k[4x10^-2]^0.674169 [4x10^-2] 0.892363162 = 4.174x10^-6 x ¹

2

得

k=6.4629x10

4. 自行設計實驗之取量

預定變色時間：___75(sec)___；實際變色時間：___76(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 K2SO4 x= 2.868 0.2M NaCl 2 0.1M K2S2O8 4 - x= 1.132

<1>依據公式,代入預定之濃度.並設

S

O

=

1

2[S₂O₃²⁻]

∆t

= k[

]

[

]

<2>代入預定之時間75 秒.



1

2x5x10⁻⁴

75

=6.4629x10

[

]

[

]

∴ 𝐱 = 𝟐. 𝟖𝟔𝟕𝟗𝟗𝟎𝟔𝟕𝟓

<3>因此 0.1M 之K₂S₂O₈之體積為約 2.868 ml ,預定總體積為 10 ml ,剩下 4 ml 讓 0.1MK₂S₂O₈與 0.1MK₂S₂O₄做分配.

4 - 2.868=1.132

0.1MK2S₂O₄體積為 2.868ml.

<4>依此體積實驗結果: 為76 秒!!!

誤差為:1.3%.

(二) 積分做圖法 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 5 986

2 1 5 4.5 2.5 5 692

3 1 5 3.5 3.5 5 532

4 1 5 2.5 4.5 5 331

5 1 5 1.5 5.5 5 167

6 1 5 0.5 6.5 5 57

※當溶液中的 Na2S2O3用盡，溶液便會產生多餘的 I2與澱粉作用，呈深藍色

※混合液的總體積皆為 18ml

2. 計算

編號

S2O32-

莫耳數 (mole)

S2O82-

原始莫耳數 (mole)

S2O82-

剩餘莫耳數 (mole)

〔S2082-〕 剩餘濃度

(M)

ln〔S2082-〕 1

﹝S₂O₈²⁻﹞ 1 1.1X10^-3 7.5X10^-4 2X10^-4 0.011 -4.50986 90.90909 2 9X10^-4 7.5X10^-4 3X10^-4 0.017 -4.07454 58.82353 3 7X10^-4 7.5X10^-4 4X10^-4 0.022 -3.81671 45.45455 4 5X10^-4 7.5X10^-4 5X10^-4 0.028 -3.57555 35.71429 5 3X10^-4 7.5X10^-4 6X10^-4 0.033 -3.41125 30.30303 6 1X10^-4 7.5X10^-4 7X10^-4 0.039 -3.24419 25.64103 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 Δ﹝S₂O₃²⁻﹞= 2Δ﹝S₂O₈²⁻﹞，因此，當經過時間 t，反應液變色時，溶液中剩餘之﹝S2O82-﹞，可由反 應液內加入之 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

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (5.5×10^-3)L=1.1X10^-3→編號 1

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (4.5×10^-3)L=9X10^-4 →編號 2

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (3.5×10^-3)L=7X10^-4 →編號 3

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (2.5×10^-3)L=5X10^-4 →編號 4

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (1.5×10^-3)L=3X10^-4→編號 5

〔S₂O₃^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.2 (M) × (0.5×10^-3)L=1X10^-4 →編號 6

(2) 計算溶液中 S2O82-之莫耳數

〔S₂O₈^2-〕mole =C_M(M) × V(L)= 0.15 (M) × (5×10^-3)L=7.5X10^-4 →每杯皆相同

(3) 由𝚫﹝𝐒_𝟐𝐎_𝟑^𝟐−﹞= 𝟐𝚫﹝𝐒_𝟐𝐎_𝟖^𝟐−﹞關係式，計算經時間 t 後，每杯中之𝐒_𝟐𝐎_𝟖^𝟐−剩餘量(mole)，並計算 其濃度(M)

(i)𝐒_𝟐𝐎_𝟖^𝟐−剩餘量(mole)

剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =原始〔S₂O₈²⁻〕mole –用掉〔S₂O₈²⁻〕mole

=原始〔S₂O₈²⁻〕mole –¹

2×Δ﹝S₂O₃²⁻﹞ 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4--¹

2×1.1X10^-3 = 2X10^-4→編號 1 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4 --¹

2× 9X10^-4 = 3X10^-4→編號 2 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4 --¹

2×7X10^-4 = 4X10^-4→編號 3 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4 --¹

2×5X10^-4 = 5X10^-4→編號 4 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4 --¹

2×3X10^-4 = 6X10^-4→編號 5 剩餘〔S₂O₈²⁻〕mole =7.5X10^-4 --¹

2×1X10^-4 = 7X10^-4→編號 6

(ii)〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M)

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^{剩餘〔S2O82−〕mole}

𝑉_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}(𝐿)

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^2X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.011(M)→編號 1

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^3X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.017(M)→編號 2

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^4X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.022(M)→編號 3

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^5X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.028(M)→編號 4

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^6X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.033(M)→編號 5

〔S₂0₈^2-〕剩餘濃度(M) = ^7X10−4

18×10⁻³(𝐿) = 0.039(M)→編號 6

(4) 計算六次試驗之 ln〔S₂0₈^2-〕及 ^𝟏

﹝𝐒𝟐𝐎_𝟖^𝟐−﹞。 (i) ln〔S₂0₈^2-〕

ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.011〕=-4.50986→編號 1 ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.017〕=-4.07454→編號 2 ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.022〕=-3.81671→編號 3 ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.028〕=-3.57555→編號 4 ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.033〕=-3.41125→編號 5 ln〔S₂0₈^2-〕=ln〔0.039〕=-3.24419→編號 6

(ii) ^𝟏

﹝𝐒𝟐𝐎_𝟖^𝟐−﹞ 1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.011﹞¹ = 90.90909→編號 1

1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.017﹞¹ = 58.82353→編號 2

1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.022﹞¹ = 45.45455→編號 3

1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.028﹞¹ = 35.71429→編號 4

1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.033﹞¹ = 30.30303→編號 5

1

﹝S₂O₈²⁻﹞ =_﹝0.039﹞¹ = 25.64103→編號 6

3. 分別以〔S

0

〕、ln〔S

0

〕、

﹝𝐒_𝟐𝐎_𝟖^𝟐−﹞

(為 Y 軸)對時間 t 做圖。

y = -3E-05x + 0.0387 R² = 0.9816

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

0 500 1000 1500

〔 S

0

〕 (M )

t (sec)

零級反應對時間作圖

t 與 〔S2082-〕之 關係

線性(t 與 〔S2082-

〕之關係)

y = -0.0013x - 3.1541 R² = 0.9949

-5 -4 -3 -2 -1 0

0 500 1000 1500

ln 〔 S

0

〕

t (sec)

一級反應對時間作圖

t 與ln〔S2082-〕之 關係

線性(t 與ln〔

S2082-〕之關係)

y = 0.0677x + 16.593 R² = 0.9408

0 20 40 60 80 100

0 500 1000 1500

1/ 〔 S

0

〕

t (sec)

二級反應對時間作圖

t 與1/〔S2082-〕

之關係 線性(t 與1/

〔S2082-〕之關係)

4. 由 3 之結果，判斷此反應對反應物 K

S

O

而言：

反應級數：一級反應 (∵R² = 0.9949，最接近1)

速率常數(k)：0.0013 (∵ln〔S2082-〕= -kt +ln〔S2082-〕0∴k=0.0013 )

二、誤差檢討

1. 藥劑體積誤差(Tips 重複使用).

2.蒸發.

3.磁攪拌器使水潑濺,黏附燒杯壁,而使反應量較少.

4.看燒杯又看碼表之時間誤差.

5.計算時,小數點精確取位程度.

三、心得

育姍：

這算是做過實驗當中最準得一次,誤差相當地小,在第一次實驗自行設計時間,誤差為 1 秒,而在 第二次積分作圖中,第一級反應回歸線 r 平方值為 0.995!

進入大一下學期後,對於學科的掌握以有很大的進步,不同於之前高中的朦朧未懂,我終於能真正 地探索科學而非為了考試。像這次對於計算和化學方程式的理解都很容易,這有賴過去的基礎,更讓我 驚覺到科學的美妙,就是在於組織與善用過往的經驗與知識,對疑惑設計實驗以求證,並做邏輯分析與 研討,這種「思想」與「行動」的結合真是美好!我不只是求知者,而是親身驗證真理的實行者!

我對於科學並沒有明確的目的,對於科學的學習並非為了功利(成績、工作…),而是一種再單純不 過的渴望,經觀察科學、理解科學、發現科學感受到大自然的宏偉奧妙,無限的驚奇,無止境的感動正 如仰望銀河與那無邊無際的宇宙,陷入遺忘自我的片刻,剎那間,碰觸到宇宙洪荒前那初始的存在,即 是「真理」!

鈺儒：

這次的實驗難度比上學期的實驗加深很多，但趣味性十足。尤其在進行自行設計的實驗時，大家 可都手拿碼表、眼盯燒杯，嘴巴一邊念念有詞「慢一點變色…慢一點變色…」「趕快變色!!!趕快變 色!!!」，甚至尖叫，全心投入在實驗的世界裡。如此投入在實驗中，那種興奮且快樂的心情，才是實 驗課真正的目的，這堂實驗課也成為也成為繼鋁明礬實驗後，最令我感到有趣的課之一。

此外這次的實驗誤差也相當小，趨勢線 R2 值為 0.995，預測的變色時間也只有 1 秒的差距，一 切都要歸功於合作的默契，讓我們的實驗更加精準地完成。

經由這次的實驗，讓我們學習到如何更精準的量取藥品體積、快速且準確的操作實驗以降低誤差。

實驗過程中與組員和同桌的同學的默契也變得相當重要，藥品的添加、實驗結果的計算等，都是經由 大家互相幫忙、互相監督才得以準確地完成實驗，是一堂收穫豐盛的實驗課。

† 實驗組員 †

郭育姍 陳鈺儒

分工合作細目

實驗：

藥品添加：育姍 計時：鈺儒 紀錄：鈺儒

計算：育姍&鈺儒 (皆有計算，再互相核對) 登記數據、作圖：育姍

儀器整理、收拾：育姍&鈺儒

實驗結報：

文字內容：鈺儒 表格、作圖：鈺儒

計算式、方程式：育姍&鈺儒 校訂：育姍&鈺儒

繪圖、美編：育姍 (報告內所有繪圖皆是育姍用電腦繪圖畫出) 排版：育姍&鈺儒