第２１卷第９期（２０１６） 甘青离Ｉ午亍才艮 Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．９（２０１６） 过二硫酸盐与碘化物反应速率和活化能 测定实验的拓展研究 白 林，徐飞，马千凤 （兰州城市学院绿色化学实验与教学研究所，甘肃兰州 ７３００７０） 摘要：根据过二硫酸铵与碘化钾反应动力学研究中反应速率的测定方法．以碘化钠替代碘 化钾与过二硫酸盐反应。探讨温度、浓度、催化剂对反应速率的影响．测定反应级数、速率常数 及活化能．在此基础上，将该实验进行微型化研究．结果表明，微型化后的实验结果不仅与常 量实验一致．而且大大节约了药品．取得了明显效果． 关键词：微型化实验；反应速率；活化能；过二硫酸钾；过二硫酸铵；碘化钠 中图分类号：０６４３．１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—９０２０（２０１６）０９—００１—０４ 量。而是在微型化的仪器装置中对实验进行重新设 ｌ 前言 计与探索。达到以尽可能少的试剂来获取尽可能多 的化学信息和目标，它的理想目标和方法与绿色化学 自１８９８年Ｐｒｉｃｅ Ｔ．Ｓ．首次研究水溶液中ｓ Ｏ 是完全一致的．由于微型实验需要额外的经费投入购 和Ｉ一反应的动力学特性以来．至今对此反应的研究 置微型化的仪器，制约了它的发展．虽然过二硫酸铵 仍引起化学工作者的广泛兴趣…．目前，大多数高等 与碘化钾反应速率测定也进行了微型化探讨【ｌ４～５１．但 院校无机化学、无机及分析化学、普通化学的实验教 由于用量过小而导致误差较大，从操作技能要求上 材都采用Ｗｈｉｔｅ Ｊ．Ｍ．的实验方法，用过二硫酸铵与 往往给大一学生带来困难． 碘化钾反应来测定化学反应速率、速率常数、反应级 目前．大多数微型化研究【６－ｌ ｏ＇”．１ ６１实际上是小 数及活化能【 １．该实验方法现象明显，重复性好，对 量一半微量实验方法Ｉ”１．常规实验的小量化是在不改 学生理解基本化学原理及数据的表达与处理能力起 变实验方法、操作技术，在实验现象明显、效果显著 到了较好的作用．在长期的教学实践中发现该实验 的前提下，采用常规的小容量仪器，实验中试剂的 主要存在以下问题，一是过二硫酸铵容易分解『４ ， 浓度和用量降至最低限度．半微量实验中试剂的用 往往导致实验失败，影响实验教学：二是过二硫酸铵 量或浓度仅为常量的１／１０～１／５，其试剂用量比对应 （０．２０ｍｏｌ／Ｌ）溶液在低温时易出现结晶现象，实验结 的常量实验节约８０％以上．因为常规实验操作是经 果误差较大；另外试剂用量过大，浪费严重，不仅给 过长期的实践检验确立的，对大一学生来说，无论 后续的废水处理造成压力，也增加了实验室工作人员 从实验基本操作的规范化，还是强化技能训练，养 的工作量［６１．针对这些问题，化学工作者进行了许多改 成良好的科学态度与习惯方面。常规实验都是不可 进．用过二硫酸钾替代过二硫酸铵１６－ ｏｌ，实现微型化和 缺少的环节．常规实验的小量化不存在微型实验中 绿色化…～６１． 的实验室“转型”问题，不需要重新购置微型实验仪 微型化实验是２Ｏ世纪８Ｏ年代崛起的一种化学 器，反而可以充分利用实验室现有的资源，面向全 实验新方法和新技术，它具有节省实验经费、简便快 体学生实施．同样达到节约资源，减少环境污染，实 速、现象明显、污染少的特点，被誉为“化学实验的革 现绿色化的目标． 命”【１１，１７］．微型化实验不是常规实验的简单微缩或减 用ＫｚＳ２０ 替代（ＮＨ ）２Ｓ２０ 已进行了广泛研究１６－１ｏ１． 收稿日期：２０１６—０４—２０ 作者简介：白林（１９６３一），男，甘肃靖远人，教授．研究方向：绿色有机化学、微波促进化学反应及化学实验的绿色化． 第２１卷第９期（２０１６） 白 林等：过二硫酸盐与碘化物反应速率和活化能测定实验的拓展研究 Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．９（２０１６） 本实验用ＮａＩ替代ＫＩ，分别与Ｋ２Ｓ：０ 、（ＮＨ ）２Ｓ：０８反 应，通过浓度、温度、催化剂对反应速率的影响，优化 出最佳反应速率测定条件．在常规方法的基础上， 建立反应速率测定的微型化实验，从而达到扩大试 剂应用范围、节约实验药品，减少环境污染的目的． 通过单因素改变ｓ：ｏ２。－与ｓ：０；一的浓度，即可求出反应 速率常数ｋ，反应级数ｍ和ｎ；通过测定不同温度下 的反应速率，根据Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程式计算反应的活化 能Ｅ ． ２ 实验原理 在水溶液中过二硫酸盐与碘化物发生如下离子 反应Ｉ Ｊ： ￥２０２＋３Ｉ－＝２Ｓ０２－＋Ｉ３ －３实验方法与结果 ３．１实验试剂 Ｋ２８２０８、（ＮＨ４）２Ｓ２０８、ＮａＩ、Ｎａ２Ｓ２０３为国产分析纯 试剂，ＮａＮＯ，、Ｎａ２ＳＯ 、Ｃｕ（ＮＯ ） 、可溶性淀粉为化学 ８（１） 纯试剂． 根据速率方程ｖ＝ｋ［Ｓ ｏ ｍ【Ｉ一】 ，为了测出反应在时间 Ａｔ内ｓ ０ 一浓度或生成物Ｉ；浓度的改变，需要ＪＪｎ￣， 一３．２实验关键及注意事项 （１）Ｎａ Ｓ ０。溶液必须在分析天平（０．１ｍｇ）上准 确称量配制． 定体积已知浓度的Ｎａ２Ｓ２０，溶液来消耗生成的Ｉ （２）ＮａＩ溶液应为无色透明溶液．如果被氧化变 （２）．一旦ｓ ０；一反应完，反应（１）生成的Ｉ 就与淀粉 显色，即可测得反应速率． 黄则不能使用，应重新配制． （３）溶液用专用的移液管（量筒）取用，并各自贴 上标签．取用溶液时，不要从试剂瓶转移到烧杯中， ２ｓ２Ｏ；一＋Ｉ；＝￥４０ 一＋３Ｉ一 （２） 再取用．以避免试剂被污染或稀释． （４）反应器用三角烧瓶（具塞）或碘量瓶． 从反应（１）和反应（２）可以看到，在△￡时间内，Ｓ ０２－ ３．３常规实验方法 与ｓ：０；一的浓度变化关系为： ａ［ｓ：０ 坚 可近似地用平均速率代替反应的瞬时速率，所以有： 按照无机化学实验【２ Ｉ中的方法，过二硫酸盐、 碘化钠的浓度为０．２０ｍｏ１］Ｌ，反应总体积为５２ｍＬ． Ｋ Ｓ２０ 与ＮａＩ反应速率测定如表ｌ所示． 实验编号１～５为浓度对反应速率的影响．编号 ４、６、７为温度对反应速率的影响．编号２、８为催化 剂对反应速率的影响实验． ［５２０２８一Ｍ ＝ ｚ－［ｓｅｏ￣，－ｉ ＝ 表１ 反应物浓度、温度、催化剂对反应速率的影响 ３．４微型实验方法 将常规实验方法中试剂的浓度减半，用量减至 １／４．量取溶液用刻度移液管，反应容器用碘量瓶．测 定方法如表２所示． ２ 常规实验与微型实验结果如表３所示． ３．５实验结论 （１）用ＮａＩ替代ＫＩ与Ｋ２５２０８反应测定反应速 率，常规实验、微型实验中，ｎ和ｎ均为ｌ（反应级数 第２ｌ卷第９期（２０１６） 甘音高竹 拒 Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．９（２０１６） 表２微型实验中反应物浓度、温度、催化剂对反应速率的影响 为２），且线性好，说明用ＮａＩ进行反应实验结果是 可靠的．因此，ＮａＩ、ＫＩ均可用于该反应，只要未被氧 参考文献： 化变黄． ［１】刘迪宁，戴宁．关于ｓ Ｏ 和Ｉ一反应的讨ｅｅ［ｊ］． （２）参照３．３、３．４实验方法，将Ｋ Ｓ２ｏ。替换为 大学化学，１９９０，５（５）：４４—４５． （ＮＨ ）２Ｓ ０ ，与ＮａＩ反应进行常规实验、微型实验研 ［２］北京师范大学无机化学教研室等编．无机化学 究．结果表明，用新购的（ＮＨ ）２Ｓ２０８与ＮａＩ反应亦可 实验嗍 ３版．北京：高等教育出版社，２００１：１ １７—１２１． 进行反应速率测定，与上述实验一致． ［３】李生英，白林，徐飞．无机化学实验［Ｍ】．北京： （３）ＮａＩ可以与Ｋ２Ｓ２０８、（ＮＩ－Ｉ４）ｚＳ２０８反应进行反 化学工业出版社．２００７：１６３—１７０． 应速率和速率常数测定，常规实验和微型化实验 ［４】朴凤玉，张敬爱，南昌希，金大成，金光德．过 其结果可靠．用ＮａＩ替代ＫＩ，不影响实验结果，且 二硫酸铵与碘化钾反应速率的探讨『Ｊ１．延边农学院 能使现有资源得到有效利用，各学校可根据实际情 学报，１９９６，１８（３）：１６４—１６７． 况选定． ［５］名鲜花，董新萍．化学反应速度及活化能测定 （４）实验的微型化，降低了实验经费、减少了污 实验研究［Ｊ］．雁北师范学院学报，２０１３，１９（５）：４８—５０． 染．也减少了实验技术人员的工作量．微型实验使 ［６］陈广，杨晓丽，万照．化学反应速率和活化能的 用精确刻度的移液管，要求学生量取液体时必须细 测定实验的微型化研究［Ｊ］．曲靖师范学院学报，２０１３， 心谨慎．认真操作．它不仅可以强化学生的基本操 ３２（３）：３４—３８． 作．还可以培养学生节约、环保、认真入微等良好习 ［７］白爱民，杨水金．化学反应速度和活化能测定 惯和严谨的科学态度． 实验的微型化研究［Ｊ］．湖北师范学院学报（自然科学 ３ 第２１卷第９期（２０１６） 白 林等：过二硫酸盐与碘化物反应速率和活化能泱ｌ定实验的拓展研究 Ｖｏ１．２１ Ｎ。．９（２０１６） 版），２０００，２０（２）：９１—９５． ［１３】王立平，李淑新，王亚茹，祖凤英，马淑珍， 许明远．化学反应速率和活化能测定微型实验初探 【８】李景红，孔茜，赵福岐．化学反应速率和活化 能测定实验的绿色化探索ｆｊＪ．聊城大学学报（自然 科学版），２００５，１８（４）：１０２—１０４． ［Ｊｌ】＿化学教育，２００５，２６（１１）：５４—５５． 【ｌ４］霍文，段漓童，刘正猛．过二硫酸铵与碘化钾 反应速率测定的微型化实验ＩＪ］．华北煤炭医学院学 报，２００７，９（５）：６４９—６５０． 【９】刘永红，张宜欣，古同男．化学反应速率及活化 能的测定实验改进【Ｊ】．卫生职业教育，２０１５，３３（４）： ８０－８２． ｆｉｓ］林燕玲．过二硫酸铵与碘化钾反应速率测定 的半微量化实验的探讨［Ｊ１．时代教育（教育教学版）， ２００９，（６）：８５． 【１０］马伟，张持，李倩，汤春明，王瑜，谭大志．反 应活化能与反应级数的测定【Ｊ］．化工高等教育，２０１５， （４）：６３—６６． ［１６】文正康．大学无机化学实验“化学反应速率 和活化能的测定”的改进ｆＪ１．西部大开发，２０１０，（２）： １６８一ｌ６９． 【ｌ１］周宁怀．微型无机化学实验［Ｍ】．北京：科学出 版社．２００１． 【１２］￣ｆｆ香，宋建荣，靳月琴．反应速率常数与活 化能测定实验微型化［Ｊ］．山西师范大学学报（自然科 学版），２００２，１６（４）：９０—９２． 【１７】白林，陈明凯．绿色化学实验【Ｊ】．化学教育， ２００２，２３（７－８）：５１—５３． Ｔｈｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｔｅ ａｎｄ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ｂｙ ｔｈｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅ ａｎｄ Ｉｏｄｉｄｅ ＢＡＩ Ｌｉｎ，ＸＵ Ｆｅｉ，ＭＡ Ｑｉａｎ－ｆｅｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｒｅｅｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅａｃｈｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００７０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅ ａｎｄ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｔａｌｙｓｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒ，ｒａｔｅ ｃｏｎ－ ｓｔａｎｔ ａｎｄ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ ｗｉｔｈ ｐｅ￣ｕｌｆａｔｅ，ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ．Ｗｅ ａｌｓｏ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａ１ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｅ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｎｌａｒｇｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｇｅｎｔｓ，ｓａｖｅ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｓｔｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｓｃａｌｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｒｅａｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ；ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ；ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅ；ａｍｍｏｎｉｕｍ ｐｅｒｓｕｌｔ＇ａｔｅ；ｓｏｄｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ 责任编辑：詹紫浪 ４
