化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)實驗訓(xùn)練題一、基礎(chǔ)驗證性實驗實驗一：濃度對反應(yīng)速率的影響——高錳酸鉀與草酸的反應(yīng)目的：1.掌握測定化學(xué)反應(yīng)速率的基本方法。2.探究反應(yīng)物濃度對反應(yīng)速率的影響，確定反應(yīng)的分級數(shù)和速率方程。3.理解反應(yīng)速率常數(shù)的概念。原理簡述：在酸性介質(zhì)中，高錳酸鉀（KMnO?）與草酸（H?C?O?）發(fā)生氧化還原反應(yīng)，紫紅色的MnO??被還原為近乎無色的Mn2?。通過測量不同初始濃度下，溶液紫紅色完全褪去所需的時間，可間接表征反應(yīng)速率。反應(yīng)式如下：2MnO??+5H?C?O?+6H?→2Mn2?+10CO?↑+8H?O通常，在反應(yīng)物KMnO?濃度遠小于草酸濃度時，可近似認(rèn)為在反應(yīng)過程中草酸濃度變化很小，反應(yīng)速率只與KMnO?的濃度有關(guān)，從而簡化速率方程的確定。主要儀器與試劑：恒溫水浴槽、秒表、移液管（多種規(guī)格）、錐形瓶、燒杯；0.01mol/LKMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.5mol/LH?C?O?溶液、2.0mol/LH?SO?溶液、蒸餾水。操作要點提示：1.溶液配制與移取：務(wù)必準(zhǔn)確移取各反應(yīng)物溶液體積，注意移液管的正確使用方法。硫酸作為介質(zhì)，其濃度和用量應(yīng)保持一致。2.反應(yīng)溫度控制：由于溫度對反應(yīng)速率影響顯著，整個實驗過程應(yīng)在恒溫水浴中進行，確保各組實驗溫度相同。3.計時與觀察：將KMnO?溶液快速加入到盛有H?C?O?和H?SO?混合液的錐形瓶中，立即開始計時，并輕輕搖勻。密切觀察溶液顏色變化，當(dāng)紫紅色恰好完全褪去（可與裝有蒸餾水的空白比色皿或白紙背景對比）時，立即停止計時，記錄反應(yīng)時間。4.平行實驗：至少進行兩組平行實驗，以檢驗數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性。數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析：1.根據(jù)所移取溶液的體積和原始濃度，計算各實驗編號下KMnO?和H?C?O?的初始濃度。2.以反應(yīng)速率的相對值（如1/t，t為反應(yīng)時間）對反應(yīng)物濃度（或濃度的某次冪）作圖，根據(jù)所得直線的斜率確定反應(yīng)對KMnO?和H?C?O?的分級數(shù)。3.嘗試計算不同初始濃度條件下的反應(yīng)速率常數(shù)k，并討論其是否為常數(shù)（在實驗誤差范圍內(nèi)）。思考題：1.為何本實驗可通過測量溶液顏色褪去的時間來衡量反應(yīng)速率？如果反應(yīng)產(chǎn)物有顏色，該方法是否適用？2.若某次實驗中，KMnO?溶液加入過快，導(dǎo)致部分溶液濺出，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生何種影響？3.除了觀察顏色變化，還有哪些物理化學(xué)性質(zhì)可用于跟蹤該反應(yīng)的進程？實驗二：溫度對反應(yīng)速率的影響及活化能的測定目的：1.研究溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。2.學(xué)習(xí)利用阿倫尼烏斯方程計算反應(yīng)的活化能。3.進一步熟悉反應(yīng)速率的測定方法。原理簡述：基于實驗一的反應(yīng)體系或選用其他有明顯特征變化的反應(yīng)（如過二硫酸銨與碘化鉀的反應(yīng)，通過淀粉指示劑顯色）。反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系遵循阿倫尼烏斯方程：k=Aexp(-Ea/(RT))，兩邊取自然對數(shù)得：lnk=-Ea/(R)*(1/T)+lnA。通過測定不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k，以lnk對1/T作圖，可得一直線，其斜率為-Ea/R，由此可計算出反應(yīng)的活化能Ea。主要儀器與試劑：在實驗一基礎(chǔ)上，需能提供不同恒定溫度的裝置（如系列恒溫水浴或超級恒溫槽）。操作要點提示：1.溫度點選擇：至少選擇4-5個不同的溫度點（溫差應(yīng)足夠大，如10-15℃），覆蓋一定的溫度范圍。2.反應(yīng)物預(yù)熱：在進行某一溫度下的實驗時，需將裝有反應(yīng)物（通常是兩種或多種，分開存放）的容器先在該溫度水浴中預(yù)熱足夠長時間，確保反應(yīng)開始時體系已達到指定溫度。3.速率常數(shù)測定：在每個溫度下，按實驗一的方法測定不同濃度組合下的反應(yīng)速率，進而求出該溫度下的速率常數(shù)k。或者，在固定反應(yīng)物濃度比例的前提下，測定不同溫度下的反應(yīng)時間，利用初始速率法近似求得k的相對值（需論證其合理性）。數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析：1.記錄各溫度下的反應(yīng)時間，計算相應(yīng)的反應(yīng)速率及速率常數(shù)k（或其相對值，若方法允許）。2.以lnk對1/T（T為熱力學(xué)溫度，單位K）作圖，進行線性擬合。3.根據(jù)直線斜率計算反應(yīng)的活化能Ea，并與文獻值比較，分析誤差來源。思考題：1.為何實驗中各反應(yīng)物溶液在混合前需要分別預(yù)熱至指定溫度？2.若實驗測得的活化能與文獻值有較大偏差，可能的原因有哪些？3.阿倫尼烏斯方程中的活化能Ea和指前因子A的物理意義是什么？二、綜合設(shè)計性實驗實驗三：催化劑對反應(yīng)速率的影響及其動力學(xué)參數(shù)的求取目的：1.比較不同催化劑對同一反應(yīng)的催化活性。2.探討催化劑濃度（或用量）對催化反應(yīng)速率的影響。3.嘗試測定催化反應(yīng)的速率常數(shù)和活化能，初步分析催化反應(yīng)機理。選題建議：可選用過氧化氫（H?O?）分解反應(yīng)。H?O?在常溫下分解緩慢，但在MnO?、KI、FeCl?等催化劑作用下分解速率加快，產(chǎn)生氧氣。通過測量單位時間內(nèi)氧氣的生成量或H?O?濃度的減少量來表征反應(yīng)速率。實驗設(shè)計要求：1.確定反應(yīng)體系：選擇H?O?分解反應(yīng)，并選取2-3種不同類型的催化劑（如固體MnO?、液體KI溶液、酶催化劑等）。2.方案設(shè)計：*速率測定方法：設(shè)計測量O?體積（排水法）或壓力隨時間變化的裝置，或設(shè)計利用分光光度法跟蹤H?O?濃度變化的方案。*實驗條件：確定H?O?的初始濃度范圍、催化劑的種類和濃度（或用量）范圍、反應(yīng)溫度等。*數(shù)據(jù)采集：明確需要記錄的數(shù)據(jù)及采集頻率。3.儀器與試劑選擇：根據(jù)設(shè)計方案列出所需儀器（如量氣管、恒壓漏斗、反應(yīng)瓶、秒表、分光光度計等）和試劑（如H?O?溶液、各種催化劑、蒸餾水等）。操作與數(shù)據(jù)處理要點：1.空白實驗：測定無催化劑時H?O?的自然分解速率，以校正實驗結(jié)果。2.催化劑活性比較：在相同的H?O?初始濃度、溫度和催化劑用量（或濃度）條件下，比較不同催化劑使反應(yīng)達到某一轉(zhuǎn)化率所需的時間，或比較相同時間內(nèi)產(chǎn)生的O?量。3.催化劑濃度影響：固定其他條件，改變某一種催化劑的濃度（或用量），測定反應(yīng)速率的變化，探討其對反應(yīng)級數(shù)的影響。4.動力學(xué)參數(shù)測定：選擇一種催化劑，在不同溫度下測定其催化反應(yīng)的速率常數(shù)，進而計算該催化反應(yīng)的活化能，并與非催化反應(yīng)的活化能進行比較。5.數(shù)據(jù)處理：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制不同條件下的動力學(xué)曲線（如V-t圖，c-t圖），選擇合適的動力學(xué)模型進行擬合，求出速率常數(shù)等參數(shù)。結(jié)果討論要點：1.不同催化劑的催化效率高低，并結(jié)合催化劑特性進行解釋。2.所選用催化劑的濃度（或用量）對反應(yīng)速率的具體影響規(guī)律。3.催化反應(yīng)的活化能計算結(jié)果及其意義，催化劑為何能加快反應(yīng)速率？4.實驗方案的優(yōu)缺點及改進建議。三、實驗技能與數(shù)據(jù)處理綜合訓(xùn)練實驗四：復(fù)雜反應(yīng)動力學(xué)初探——丙酮碘化反應(yīng)目的：1.了解復(fù)雜反應(yīng)（對峙反應(yīng)、平行反應(yīng)或連串反應(yīng)）的動力學(xué)特征。2.掌握用分光光度法測定反應(yīng)速率的原理和操作。3.學(xué)習(xí)處理較為復(fù)雜的動力學(xué)數(shù)據(jù)，求解反應(yīng)速率方程中的參數(shù)。原理簡述：丙酮碘化反應(yīng)是一個典型的酸催化反應(yīng)，其反應(yīng)式可表示為：CH?COCH?+I?→CH?COCH?I+H?+I?該反應(yīng)由H?催化，且反應(yīng)本身生成H?，因此是一個自催化反應(yīng)。反應(yīng)速率與丙酮、碘和氫離子的濃度有關(guān)。由于I?在可見光區(qū)有特征吸收，而產(chǎn)物CH?COCH?I和I?無顯著吸收，可用分光光度法（在λ=560nm左右）跟蹤I?濃度隨時間的變化，從而測定反應(yīng)速率。在過量的丙酮和H?存在下，可認(rèn)為在反應(yīng)過程中丙酮和H?的濃度基本保持不變，碘的濃度隨時間的變化率（-dc(I?)/dt）可表示為反應(yīng)速率，且該速率與碘濃度無關(guān)，表現(xiàn)為零級反應(yīng)。此時，ln(c?(I?)/c(I?))或c(I?)對t作圖應(yīng)為直線。主要技能訓(xùn)練：1.分光光度計的使用：包括儀器校準(zhǔn)、參比溶液選擇、吸光度測量等。2.反應(yīng)體系的恒溫與混合：確保反應(yīng)在設(shè)定溫度下進行，反應(yīng)物混合迅速均勻。3.數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性與準(zhǔn)確性：定時讀取吸光度值，注意初始階段數(shù)據(jù)的采集。4.動力學(xué)數(shù)據(jù)的計算機擬合：運用Origin、Excel等軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)不同的動力學(xué)模型（零級、一級、二級）進行擬合，判斷反應(yīng)級數(shù)，并計算速率常數(shù)。數(shù)據(jù)處理與分析重點：1.利用朗伯-比爾定律，將測得的吸光度A轉(zhuǎn)換為碘的濃度c(I?)。2.分別以c(I?)對t、lnc(I?)對t作圖，判斷反應(yīng)對碘的級數(shù)。3.根據(jù)線性關(guān)系良好的圖，計算相應(yīng)條件下的反應(yīng)速率常數(shù)k。4.改變丙酮或H?的初始濃度，重復(fù)實驗，確定反應(yīng)對丙酮和H?的級數(shù)，從而建立完整的速率方程。注意事項與思考：1.實驗所用溶液需準(zhǔn)確配制，尤其是標(biāo)準(zhǔn)碘溶液。2.分光光度計的比色皿應(yīng)潔凈，避免指紋污染，裝液量適中。3.思考該反應(yīng)的機理，為何在特定條件下對碘表現(xiàn)為零級？如何設(shè)計實驗驗證中間產(chǎn)物的存在？四、實驗注意事項與數(shù)據(jù)記錄規(guī)范1.預(yù)習(xí)：實驗前必須充分預(yù)習(xí)，理解實驗原理，熟悉儀器操作規(guī)程，明確實驗步驟和注意事項，做到心中有數(shù)。2.儀器檢查與調(diào)試：實驗開始前，仔細檢查所用儀器是否完好，裝置連接是否正確，進行必要的調(diào)試（如恒溫槽溫度、分光光度計波長等）。3.藥品使用：仔細辨認(rèn)藥品標(biāo)簽，注意藥品的純度和濃度。取用藥品時應(yīng)遵循“少量多次”原則，避免浪費和污染。有毒有害藥品需在通風(fēng)櫥內(nèi)操作。4.操作規(guī)范：嚴(yán)格按照實驗步驟和儀器操作規(guī)程進行操作，確保實驗安全和數(shù)據(jù)可靠。特別注意溫度、時間、體積等關(guān)鍵量的準(zhǔn)確控制。5.數(shù)據(jù)記錄：原始數(shù)據(jù)必須及時、準(zhǔn)確、清晰地記錄在實驗記錄本上，不得隨意涂改。記錄內(nèi)容應(yīng)包括實驗條件（溫度、壓力、日期等）、儀器型號、藥品信息、觀測現(xiàn)象及所有測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)應(yīng)有單位。6.平行實驗：為減少偶然誤差，重要實驗應(yīng)進行平行測定。7