CN103926378A - 一种测定化学反应速率及活化能的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定化学反应速率及活化能的实验装置，包括带盖板的反应容器，反应容器位于磁力搅拌器上。反应容器内置一带底的反应管，反应管上端安装在盖板上且底部悬空，反应管内设可上提的活动隔板以将反应管分为左右两个反应区，反应容器和反应管之间的区域形成水浴区。在水浴区下部设有水浴区出水口，在反应管下部设有反应区出水口；在盖板上分别设有与两反应区对应的两加料口、与任何一个反应区对应的气体收集口、与水浴区对应的水浴区进水口，两加料口上分别设有加料器，气体收集口与气体收集装置连接。本发明能够准确测定化学反应速率及活化能，而且耗药量小，结构简单，操作方便，制造成本低廉。

Description

一种测定化学反应速率及活化能的实验装置

技术领域

本发明涉及化学实验装置，具体指一种用于测定化学反应速率及活化能的实验装置，属于化学实验领域。

背景技术

化学反应速率及活化能的测定是无机化学实验和大学化学实验中重要的教学实验内容。在实验教学过程中，一般测量酸性溶液中碘酸钾与亚硫酸钠的反应速率，并计算该反应的反应级数、速率常数和活化能。

酸性溶液中，KIO₃与NaSO₃反应的方程式为：

IO₃ ^-+3SO₃ ^2-=3SO₄ ^2-+I^-

其分步反应为：

IO₃ ^-+SO₃ ^2-=SO₄ ^2-+IO₂ ^-

IO₂ ^-+2SO₃ ^2-=2SO₄ ^2-+I^-

6H⁺+IO₃ ^-+5I^-=3H₂O+3I₂

H₂O+SO₃ ^2-+I₂=SO₄ ^2-+2HI

其中，第一步反应最慢，第四步反应瞬间完成。

当反应体系中KIO₃过量时，在Δt时间内，该反应的平均速率可表示为：

${\stackrel{\‾}{v}}_{\left({\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_3\right)}=-\frac{\mathrm{\Δ}{c}_{\left({\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_3\right)}}{\mathrm{\Δt}}$

其中，为NaSO₃在△t时间内的浓度变化量。

其瞬时反应速率方程可表示为：

$v={\mathrm{kc}}_A^m{c}_B^n$

当c_B固定时，lgν=mlgc_A+c′。以lgν对lgc_A作图，可得一直线，斜率即为m。

当c_A固定时，lgν=mlgc_B+c"。以lgν对lgc_B作图，可得一直线，斜率即为n。

测出不同浓度下的反应时间Δt，即可求得反应级数为m+n，速率常数

根据阿伦尼乌斯公式：

或 $\mathrm{lgk}=-\frac{E_a}{2.303\mathrm{RT}}+\mathrm{lgA}$

其中，k：反应速率常数；E_a：反应活化能；R：气体常数；T：热力学温度；A：给定反应的特征常数。在不同温度下，测出k，以lgk对作图，得一直线，斜率为根据斜率可计算活化能E_a。

目前，高等院校普遍采用量筒量取一定体积的碘酸钾溶液和水于锥形瓶中，采用量筒量取一定体积的亚硫酸钠溶液于大试管，在水浴中预热后，将大试管中的溶液倾倒于锥形瓶中，振荡锥形瓶，当溶液变蓝时达到反应终点。溶液刚刚混合到溶液变蓝的时间即为反应时间。测定不同浓度溶液的反应时间和不同温度的反应时间，然后计算反应的反应级数、速率常数和活化能。作为学生实验，主要存在以下问题：①玻璃仪器使用量大，且仪器损坏率高，学生在振荡反应体系的过程中常常碰坏温度计和大试管等；②两种溶液混合过程缓慢，且需要手动振荡反应体系，影响反应溶液的有效混合和反应体系的均匀性，产生实验误差；③实验过程采用大烧杯作为水浴，保温效果差，此外，振荡过程在水浴中进行操作不便，学生常常脱离水浴振荡，导致实验误差；④反应温度通过测量水浴温度来代替反应体系温度，而水浴层又未采取保温措施，影响实验结果的准确性；⑤烧杯中的水浴用水量较大，约500ml，且需要多次更换水浴来调整水浴层温度，浪费严重；⑥实验用药量较大（平均用药50ml/每个实验点，完成实验需10个实验点，用药总量500ml），药品浪费严重；⑦化学污染严重，碘酸钾与亚硫酸钠的反应过程产生单质碘，造成碘单质大量挥发严重损害师生身体健康、污染环境。因此，现有的化学反应速率及活化能的测定实验无法使学生获得准确可靠的实验数据，操作繁琐，用药量大且还存在一定的化学污染。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种操作简单、可准确有效的测定化学反应速率及活化能的实验装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种测定化学反应速率及活化能的实验装置，其特征在于：包括带盖板的反应容器，反应容器位于磁力搅拌器上；所述反应容器内置一带底的反应管，反应管上端安装在盖板上且底部悬空，反应管内设可上提的活动隔板以将反应管分为左右两个反应区，反应容器和反应管之间的区域形成水浴区；在水浴区下部设有水浴区出水口，在反应管下部设有反应区出水口；

在盖板上分别设有与两反应区对应的两加料口、与任何一个反应区对应的气体收集口、与水浴区对应的水浴区进水口，两加料口上分别设有加料器，气体收集口与气体收集装置连接。

磁力搅拌器的磁力搅拌子设于其中一个反应区内，另一个反应区设有数显温度计，磁力搅拌器的温度传感器置于水浴区内，水浴区的温度可通过磁力搅拌的加热功能实现。

活动隔板上端连接有钢丝，钢丝从盖板上穿出。需要使两反应区的反应物发生反应时，通过钢丝将隔板上提即可变成一个反应区域。

所述盖板通过密封卡槽与反应容器和反应管连接。反应容器和反应管密封良好，可以防止反应产生的气体溢出。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明将化学反应速率及活化能的测定实现了实验装置化。实验设备装置化后，大大减少玻璃仪器的使用，可降低仪器的损耗率；采用磁力搅拌器的加热保温功能来实现水浴区的加热保温，采用磁力搅拌器的搅拌功能实现反应区的搅拌功能，且搅拌速度可准确调控提高实验数据的准确性；在反应区设有数显温度计，直接检测反应体系温度，当反应体系的温度值达到与水浴区一致时开始反应，能更真实的反映反应温度，减少了温度差带来的实验误差；采用提拉隔板促使两种反应液混合，实现了点接触混合向面接触混合的转变，传质效果改善；此外，分为两个反应区，其中一个明确为KIO₃区，另一个明确为NaSO₃区，加料器也进行标注，减少因加料器混用带来的实验误差。

2、本发明将化学反应速率及活化能的测定实现了实验微型化。反应区域体积减小，减少了实验药品的浪费；充分利用磁力搅拌器的加热保温功能，水浴层用水量减小，且水浴可重复多次使用，减少了水资源的浪费；实验过程中产生的碘单质可收集回用于卤素、氧化还原与电化学等实验项目中，降低了实验成本。

3、本发明将化学反应速率及活化能的测定实现了实验绿色化。反应容器的上方设有密封盖，并留有气体收集口可连接气体收集装置，降低了有害碘单质挥发带来的毒害作用。

总之，本发明能够准确测定化学反应速率及活化能，而且耗药量小，结构简单，操作方便，制造成本低廉。

附图说明

图1-本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明测定化学反应速率及活化能的装置，包括反应容器7，反应容器7位于磁力搅拌器1上。反应容器7为有机玻璃制成的圆柱形，上端设有可拆卸的盖板12，盖板也为有机玻璃。反应容器7内置一带平底的反应管15，反应管15上端安装在盖板12下表面且底部悬空，反应管内为反应区5。反应管15内设活动隔板6以将反应管分为左右两个反应区，实际设计时两个反应区体积均为10mL，反应区总体积为20mL。为了明确每个区的实际反应液加入情况，其中一个反应区标有“碘酸钾”字样，另一个反应区标有“亚硫酸钠”字样。反应容器和反应管之间的区域为水浴区8，体积为50mL。在水浴区8下部设有水浴区出水口2，在反应管15下部设有通往反应容器外的反应区出水口4。当反应完成后，可通过各自出水口将反应液和水浴区的水分别直接外排。

在盖板12上位于两反应区上方设有两加料口，两加料口上分别设有加料器9，反应溶液可通过加料器分别加入到两个独立分隔的反应区域。跟反应区一样，在两加料器上分别标有与各自反应区对应的“碘酸钾”和“亚硫酸钠”字样。当反应需要开始进行时，将两个区域间的隔板6上提，两个区域内的溶液立刻混合搅拌，减少了实验误差。实际设计时，活动隔板上端连接有钢丝，钢丝从盖板上穿出，需要使两反应区的反应物发生反应时，通过钢丝将隔板上提即可变成一个反应区域。同时在盖板上设有与任何一个反应区对应的气体收集口11，气体收集口与气体收集装置连接，气体收集装置用于收集反应产生的气体，避免反应过程中产生的有毒有害气体直接排入环境，实现了化学反应速率及活化能测定实验的绿色化。盖板12在水浴区上方还设有一水浴区进水口10，自来水可直接通过水浴区进水口注入水浴区。

所述盖板12通过密封卡槽与反应容器7和反应管15连接。反应容器和反应管密封良好，可以防止反应产生的气体溢出。

磁力搅拌器的磁力搅拌子3设于其中一个反应区内，另一个反应区设有数显温度计13，水浴区8内设有与磁力搅拌器1连接的温度传感器14，通过磁力搅拌器可设定加热温度，水浴区的温度可通过磁力搅拌的加热功能实现。由于反应区配有数显温度计，反应区的温度值达到水浴区温度后即开始反应，降低了温差带来的实验误差。同时反应容器的反应区配有磁力搅拌子，在磁力搅拌器上设定好转速后，磁力搅拌子即可代替手工振荡和玻璃棒搅拌反应体系，加快了液体传质，减少了液体传质带来的实验误差。

为了测定化学反应速率，先在实验装置其中一个反应区中加入浓度一定、体积一定的KIO₃，另一个反应区中加入不同体积的NaSO₃，测出反应所需的时间Δt，根据计算后作图可得直线斜率m。然后反过来使加入的NaSO₃浓度一定、体积一定，KIO₃体积不同，测出反应所需的时间Δt，根据计算后作图可得直线斜率n。然后可计算反应级数和速率常数。

为了测定化学反应活化能，在实验装置两反应区中分别加入一定体积的KIO₃和NaSO₃，调节水浴区温度，当反应体系达到水浴区温度时，混合KIO₃和NaSO₃，测出反应所需的时间Δt，根据计算后作图可得直线斜率，计算反应活化能。

具体反应时，本装置按如下步骤进行：

(1)备料：NaSO_3-淀粉溶液：含有H⁺、淀粉、NaSO₃，浓度为0.1mol/L；KIO₃溶液浓度为0.1mol/L；气体收集液为0.1mol/L的KI溶液。

(2)工作时，将两加料器分别按照表1吸取所需体积的溶液（KIO₃溶液、NaSO₃溶液、）加入对应的反应区，从水浴区上方的进水口注入自来水。将气体收集口与气体收集装置相接。表1中的H₂O加入任意一个反应区皆可，用于调节反应液浓度。

(3)将磁力搅拌器的温度传感器置于水浴区，磁力搅拌子置于其中一个反应区，另一反应区中放入数显温度计。

(4)磁力搅拌器接通电源，按照表2设定加热温度和搅拌速度，进行水浴加热，当水浴区的温度与反应区的温度相同时，提起反应区的隔板，开始计时，直至反应结束。

(5)实验结束后，断开磁力搅拌器电源，将实验装置的出水口打开，分别排除反应液和水浴区的自来水。

表1浓度对化学反应速率的影响

表2温度对化学反应速率的影响

（6）分别按照表1要求完成实验，表1的5个反应例反应温度选取15℃。记录不同浓度溶液所需的反应时间，计算反应速率，根据浓度和反应速率的对数作图，依据直线斜率确定反应级数，然后计算反应速率常数；根据表2实验结果，记录不同温度下的反应时间，计算反应速率和反应速率常数，对作图，根据直线斜率计算活化能。

本发明可用于测定化学反应速率及活化能，减少反应过程中产生的有毒气体的排放，在精确控温的条件下，能够实现对化学反应器过程中反应现象的观察，实现对反应终点的准确判断，有利于得到准确可靠的实验数据。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种测定化学反应速率及活化能的实验装置，其特征在于：包括带盖板的反应容器，反应容器位于磁力搅拌器上；所述反应容器内置一带底的反应管，反应管上端安装在盖板上且底部悬空，反应管内设可上提的活动隔板以将反应管分为左右两个反应区，反应容器和反应管之间的区域形成水浴区；在水浴区下部设有水浴区出水口，在反应管下部设有反应区出水口；

在盖板上分别设有与两反应区对应的两加料口、与任何一个反应区对应的气体收集口、与水浴区对应的水浴区进水口，两加料口上分别设有加料器，气体收集口与气体收集装置连接。

2.根据权利要求1所述的测定化学反应速率及活化能的实验装置，其特征在于：磁力搅拌器的磁力搅拌子设于其中一个反应区内，另一个反应区设有数显温度计，磁力搅拌器的温度传感器置于水浴区内，水浴区的温度可通过磁力搅拌的加热功能实现。

3.根据权利要求1所述的测定化学反应速率及活化能的实验装置，其特征在于：所述活动隔板上端连接有钢丝，钢丝从盖板上穿出，隔板将反应管分为左右两个反应区，提拉钢丝，隔板上升，反应管左右两个反应区中的溶液混合，反应开始。

4.根据权利要求1所述的测定化学反应速率及活化能的实验装置，其特征在于：所述盖板通过密封卡槽与反应容器和反应管连接。