复杂反应——丙酮碘化反应实验报告.pdf

1、 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 姓名 ：何一白 学号： 2012011908 班级 ： 化 22 同组实验者姓名： 苏剑晓 实验日期 ： 2014.10.23 提交报告 日期 ： 2014.11.8 带课 老师姓名：麻英 1 引言（简明的实验目的 /原理） 1.1实验目的 1. 采用分光光度法测定用酸作催化剂时丙酮碘化反应的速率系数、反应级数和活化能。 2. 通过本实验加深对复合反 应特征的理解。 3. 熟练掌握分光光度计的原理和使用方法。 1.2实验原理 酸性溶液中，丙酮碘化反应是一个复合反应，其反应式为： +H +3 2 3 3 2( C H ) C O + I C H C O C H I

2、 + H + 2 I （ 1） 该反应由 H+催化，而反应本身又能生成 H+，所以这是一个 H+自催化反应，其速率方程为 ： 3 +3- d c I- d c A d c Er = = = = k c A c I c Hd t d t d t （ 2） 式中： r 反应速率； k 速率系数； cA、 3cI 、 +cH 、 cE 分别为丙酮、碘、氢离子、碘化丙酮的浓度， -3mol dm ； 、 、 分别为反应对丙酮、碘、氢离子的分级数。 反应速率、速率系数及反应级数均可由实验测定。因为 3I 在可见光区有 一个比较宽的吸收带，而在这个吸收带中，盐酸和丙酮没有明显的吸收，所以可以采用分光光度计

3、测定光密度的变化（也就是 3I 浓度的变化）来跟踪反应过程。虽然在反应（ 1）中没有其它试剂吸收可见光，但却存在下列一个次要却复杂的情况，即在溶液中存在 3I 、 2I 和 I 的平衡： I2 +II3 （ 3） 其中 2I 在这个吸收带中也吸收可见光。根据朗伯 -比尔定律： D=Lc （ 4） 式中： D 光密度（消光度）； 吸收系数； L 比色皿的光径长度； c 溶液的浓度。 含 有 3I 和 2I 溶液的总光密度 D可以表示为 3I 和 2I 两部分光密度的和，即： 3 2 3 3 2 2D = D I + D I = I L c I + I L c I （ 5） 复杂 反应 丙酮 碘化

4、 反应 化 22 何一白 2 在特殊情况下，即波长 =565nm时， 32 I= I，上式变为 3 2 3 3 2D = D I + D I = I L c I + c I （ 6） 也就是 说，在 565nm这一特定的波长条件下，溶液的光密度 D与 3I 和 2I 浓度之和成正比。 因为 在一定的溶质、溶剂和固定的波长条件下是常数。使用固定的一个比色皿， L 也是一定的，所以（ 6）式中，常数 3 IL就可以由测定已知浓度碘溶液的光密度 D而求出。 在本实验条件下，反应并不停留在一元碘化丙酮上，还会继续进行下去，因此反应中所用的丙酮和酸的浓度应大大过量。这样，当少量的碘完全消耗 后，反应物丙

5、酮和酸的浓度可以认为基本保持不变。且只要酸度不很高，丙酮卤化反应的速率与卤素的浓度和种类（氯、溴、碘）无关（在百分之几误差范围内），因而直到全部碘消耗完以前，反应速率是常数，即 3 + +3- d c I d c Er = = = k c A c I c H = k c A c H =d t d t 常 数 （ 7） 从（ 7）式可以看出，将 -3cI 对时间 t作图应为一条直线，其斜率就是反应速率 r。 1 为了测定反应级数，例如指数 ，至少需进行两次实验。在两次实验中丙酮的初始浓度不同 2 +H 和 3I 的初始浓度相同。由（ 7）式可得： + +k c A , c H , r = = u

6、r k c A , c H , （ 8） 可得到 rlg r= lgu（ 9） 同理可求出指数 ， ： rlg r= lgw （ 10） Vrlg r = lgx（ 11） 根据（ 2）式，由指数、反应速率和各浓度数据可以算出速率系数 k。由两个或两个以上温度的速率系数，根据阿累尼乌斯公式 a-E /RTk=Ae （ 12） 可以估算反应的表观活化能 Ea。 2 实验操作 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 3 2.1 实验药品、仪器型号 计算机与接口 1套； 722S型分光 光度计（比色皿 2个）；恒温槽 1套； 10ml移液管 1支； 5ml刻度移液管 3支； 5ml 移液管

7、1 支； 25ml 容量瓶 1个；镊子；洗瓶。 0.02120 mol/L碘溶液； 1.436 mol/L HCl溶液； 3.372 mol/L丙酮溶液 2.2. 实验条件 温度 20.1 ，气压 102.4kPa，相对湿度 13%。 2.3. 实验操作步骤及方法要点 1. 检查仪器和药品。 2. 接通电源。 3. 开启恒温槽，检查水路是否通畅和漏水。 将装入已标定好的碘溶液、丙酮溶液、盐酸溶液的玻璃瓶放入恒温槽中恒温。恒温槽温度设定 在 20 。到达设定温度并恒定 10 分钟后开始实验。 4. 打开分光光度计电源开关，波长调至 565nm，预热一段时间后放入装有已恒温的去离子水的 比色皿，作

8、为空白调零。 5. 测定 L 值。准确移取 2.5ml 碘溶液于 25ml 容量瓶中，用已恒温的去离子水稀释至刻度，摇 匀，润洗比色皿 3 次，然后将装有 2/3 溶液的比色皿置于样品室光路通过处，盖好盖子。更换碘溶液 再重复测定两次，取其平均值求 L值。 6. 测定四种不同配比溶液的反应速度。四种不同溶液的配比见下表。 表 1 溶液的配比表 碘溶液 V/ml 丙酮溶液 V/ml 盐酸溶液 V/ml I（ 25 ） 5 5 5 II（ 25 ） 5 2.5 5 III（ 25 ） 5 5 2.5 IV（ 25 ） 7.5 5 5 V（ 35 ） 7.5 5 5 7. 按表中的量，准确移取已恒温

9、的三种溶液于 25ml 容量瓶中（碘溶液最后加），用去离子水稀 释至刻度，摇匀，润洗比色皿 3 次，然后将装有 2/3 溶液的比色皿置于样品室光路通过处，盖好盖 子，同时利用计算机或秒表（每隔 1min 或 2min 记录一次数据）开始记录吸光度值变化（如果分光 光度计没有带恒温水浴夹套注意只取反应 开始一段时间的数据）。 8. 做完 20 下的全部四个实验后，再升高恒温水浴温度到 30 进行第五组的实验。 2.4. 注意事项 1. 实验时应当先加丙酮、盐酸溶液，最后加碘溶液。否则碘会先与丙酮发生反应。 2. 实验操作尽量迅速，如果将溶液在室温下放置会降温，导致反应温度不恒定。 3. 第一组数

10、据是其余各组数据比较的参照组，十分重要，因此要等到温度充分稳定后，最后一 个测定。 3 结果与讨论 3.1 原始实验数据 3.1.1 碘溶液吸光度 表 2 碘 溶液 吸光度 第一组 第二组 平均值 吸光度 0.368 0.369 0.3685 3.1.2 不同条件下习惯度随时间的变化 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 4 不同条件如下： 表 3 溶液的配比表 表 4 组 I 表 5 组 II 表 6 组 III 时间 吸光度 0 0.617 1 0.617 2 0.617 3 0.617 4 0.617 1016 0.291 1017 0.29 1018 0.29 1019 0.

11、29 1020 0.289 表 7 组 IV 表 8 组 V 时间 吸光度 0 0.81 1 0.81 2 0.809 3 0.808 4 0.807 594 0.001 595 0.001 596 0.001 597 0.001 598 0.001 3.1.3 所用溶液浓度 丙酮： 3.372mol/L 盐酸： 1.436mol/L 碘液： 0.02120mol/L 3.2计算的数据、结果 3.2.1 计算 L值 碘溶液 V/ml 丙酮溶液 V/ml 盐酸溶液 V/ml I（ 25 ） 5 5 5 II（ 25 ） 5 2.5 5 III（ 25 ） 5 5 2.5 IV（ 25 ） 7.5

12、 5 5 V（ 35 ） 7.5 5 5 时间 吸光度 0 0.625 1 0.625 2 0.624 3 0.624 4 0.624 856 0.078 857 0.077 858 0.077 859 0.076 860 0.076 时间 吸光度 0 0.634 1 0.634 2 0.633 3 0.633 4 0.633 1196 0.251 1197 0.251 1198 0.251 1199 0.25 1200 0.25 时间 吸光度 0 0.903 1 0.903 2 0.903 3 0.902 4 0.902 1018 0.262 1019 0.262 1020 0.261 10

13、21 0.261 1022 0.26 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 5 经稀释后碘液浓度为 0.002120mol/L，因此， L = = 0.36850.0021201 = 173.821 3.2.2 作出 A-t图计算反应速率 r 在前面实验原理中已经提到，本实验由于对 碘为零级反应， 是通过让酸和丙酮 充分 过量， 从而使得反应过程中反应速率基本不变，然后 通过 A-t 关系求得反应速率 r。但是在初始 阶段，由于 加入 不久可能混合不够 均匀， 反应不够稳定，此段反应速率可能不准确，故可以酌情略去。而在反应后期，虽然酸和丙酮过量，但是反应过程中还是有一定消耗，会使得反

14、应速 率 略有下降，因此也可酌情略去。总体上，取中段数据比较合理，反应速率比较稳定，也比较准确。 下面 各组取的数据位置根据数据总的组数略有不同，总体上使用 中间段。第 5组由于前后有较为明显的弯曲，取中间线性比较好的 320-540s段。 I.用 Origin作出 A-t图如下： 取中段 50-720的数据，得到斜率为 A =-0.000644558， R2= 0.999561598 II. 用 Origin作出 A-t图如下： 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 6 取中段 60-960的数据，得到斜率为 A = -0.000321904， R2= 0.999631857 II

15、I. 用 Origin作出 A-t图如下： 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 7 取中段 50-900的数据，得到斜率为 A = -0.000324444， R2=0.999602501 IV. 用 Origin作出 A-t图如下： 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 8 取中段 100-960的数据，得到斜率为 A = -0.000644629， R2= 0.999416926 V. 用 Origin作出 A-t图如下： 取中段 320-540的数据，得到斜率为 A = -0.001686206， R2= 0.999832412 根据斜率和之前计算的 L值，可以求得

16、： 表 9 各组 反应 速率 I II III IV V dA/dt -0.00064456 -0.00032190 -0.00032444 -0.00064463 -0.00168621 r(mol/(Ls) 3.708E-06 1.852E-06 1.867E-06 3.709E-06 9.701E-06 3.2.3 计算反应级数 丙酮 = = 1.00156 碘 = = 0.00066 盐酸 = = 0.990 3.2.4 计算反应速率系数 根据公式 k = ()(+)分别计算得到： 复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 9 表 10 反应速率 常数 组别 I II III I

17、V V r(mol/(Ls) 3.708E-06 1.852E-06 1.867E-06 3.709E-06 9.701E-06 k(L/（ mols) 1.89195E-05 1.89179E-05 1.8915E-05 1.89216E-05 4.94946E-05 从而取平均 k1=1.89185105 L/（ mols） k2= 4.94946105 L/（ mols） 3.2.5 计算表观活化能 Ea = 2.303 12(1 2)12= 73474/ 3.3讨论分析 上述计算数据结果与实验室中利用软件计算得到的结果基本相同（实验室数据 = 1.0012， =0.0006， = 0.

18、99， = 74011/),略有区别主要是由于选取的数据点区间和实验室可能稍有差异，这对结果没有影响。 通过实验我们可以看到，温度升高 10 度之后 ，反应速率常数增大明显，因此说明该反应随温度升高反应速率增大。前 4组 反应速率常数基本相等，说明在温度不变时对同一个反应，反应 速率系数 不变 ，这 都 和理论相符。 观察几幅图， 可以发现在一开始反应速率稍慢， 如前所述， 这是 由于反应物还未 完全 混合均匀 ，而 最后一组 中 末端 反应速率比较慢， 可能 由于反应过程中 丙酮和盐酸 浓度实际仍有小量下降 ，而且碘的量接近于 0. 4 结论 丙酮碘化反应是一个二级反应。其中，它是丙酮和盐酸

19、的一级反应，是碘的零级反应。 丙酮碘化反应在 25摄氏度时反应速率常数 k1=1.89185105 L/（ mols） ， 35摄氏度时反应 速率常数 k2= 4.94946105 L/（ mols） 丙酮碘化反应表观活化能 Ea=73474J/mol 5 参考文献 （ 1）贺德华，麻英，张连庆编 . 基础物理化学实验 . 北京：高等教育出版社， 2008.5. （ 2）朱文涛编著 . 物理化学 . 北京：清华大学出版社， 2011.9. 6 附录 6.1思考题 1. 在动力学实验中，正确计量时间是很重要的。本实验中从反应开始到起算反应时间，中间有一段不算很短的操作时间。这对实验结果有无影响？

20、为什么？ 答 : 没有。 本实验 通过控制丙酮和盐酸过量，使得反应速率基本不变， 最终需要测定的是反应速率，因此我们需要的是 斜率，而题目中说的时间对于斜率不会有影响。 2. 影响本实验结果的主要因素是什么？ 答 :最主要的应当是温度，可以看到，升温 10度对于 k 的影响很 大，因此保持恒温很重要。除此之外，加入的反应物浓度的准确性也会影响实验结果。 3. 如果用表观活化能 Ea代替活化焓 mH 行否？为什么？ 答 :液相反应 中 有 amE H RT 。因此， 如果 Ea很大，而 T比较 小 ， 那么误差不太大 就可以代替。本实验中， 按 25 度计算， mH =Ea-RT=70995J/

21、mol.计算得 相对误差为 3.4%.如果 对精度要求不高 ，复杂 反应 丙酮 碘化 反应 化 22 何一白 10 可以代替。 6.2实验 总结 这次 实验 总体 上 比较 顺利 ， 比较 快 的 测完 了 所需要 的 5组 数据 ， 经过 电脑 上 的 软件 检测 ， 也 与 理论 比较 相符 。 我觉得 这次 重点 需要 注意 的 就是 一定 要 注意 在 所有 的 都 测完 后 再 升温 ， 其他 组 同学 就有 不慎提前 升温 ， 使得 25 度 最后 一组 数据 测量 不准 。 通过 这次 实验 我 对于 速率 常数 、 反应 级数 的 测定 有 了更深 的 了解 ， 也 对 相关 知识 进行 了 一次 巩固 ， 收获 很大 。