陳 功 羅榆琴 佘文靜 馬宏佳

（南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210046）

一、問(wèn)題提出

硫代硫酸鈉與硫酸的反應(yīng)是高中化學(xué)教學(xué)中研究溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的重要實(shí)驗(yàn)之一。在實(shí)際教學(xué)中，常在反應(yīng)器底部墊一張畫有十字的白紙，通過(guò)觀察生成的硫單質(zhì)沉淀使十字完全看不見所需要的時(shí)間來(lái)判斷反應(yīng)的快慢。但這樣的判斷往往因人而異，沒有量化的數(shù)據(jù)。而應(yīng)用色度計(jì)和溫度傳感器，可以很好地解決這一問(wèn)題。

此外，能否在教學(xué)中用該實(shí)驗(yàn)介紹濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響，不同反應(yīng)物濃度的變化對(duì)反應(yīng)速率的影響是否一致？筆者也用色度計(jì)和溫度傳感器進(jìn)行了研究。

二、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)反應(yīng)方程式

2.溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響

大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度升高而增加。范特霍夫曾總結(jié)出一條近似規(guī)律：溫度每升高10K，反應(yīng)速率變?yōu)樵瓉?lái)的2～4倍。范特霍夫規(guī)則可用于對(duì)反應(yīng)速率的粗略估算，但適用范圍有限。阿侖尼烏斯提出了一個(gè)較為精確地描述反應(yīng)速率常數(shù)與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中k為速率常數(shù)，A為指前因子，Ea為反應(yīng)的活化能。速率常數(shù)是單位濃度下的反應(yīng)速率，速率常數(shù)越大的反應(yīng)，反應(yīng)速率越快。由阿侖尼烏斯公式可知，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響與反應(yīng)的活化能大小和反應(yīng)的溫度區(qū)間有關(guān)。

3.色度計(jì)原理

色度計(jì)可測(cè)量溶液的透光率 （T），相當(dāng)于一臺(tái)簡(jiǎn)易的分光光度計(jì)。它通過(guò)濾光片發(fā)出一定波長(zhǎng)的平行光，當(dāng)一束平行光通過(guò)比色皿中均勻的溶液介質(zhì)時(shí)，光的一部分被吸收（It），一部分被透過(guò)（Io）。通過(guò)比對(duì)透射光強(qiáng)度與發(fā)射光強(qiáng)度，即可得到透光度T（T＝It／Io）。根據(jù)朗伯比爾定律，溶液的吸光度（A）與吸光物質(zhì)的濃度 （c）和吸收層厚度（b）的乘積成正比，且等于透光率倒數(shù)的對(duì)數(shù)：

吸光度 A ＝lg（1／T）＝Kcb（K 為比例常數(shù)）

本實(shí)驗(yàn)中生成的硫?yàn)轭w粒極小的懸浮物，在溶液中分布均勻，當(dāng)生成硫的量不斷增加時(shí)，透射光強(qiáng)度逐漸減少，吸光度 （A）與生成硫的量成正比，可以據(jù)此確定反應(yīng)速率。本實(shí)驗(yàn)采用稀釋法獲取一組不同濃度的溶液，將裝有溶液的容器在恒溫電磁攪拌器上加熱保溫，獲得不同溫度的溶液，然后取一定量溶液在比色皿中混合反應(yīng)，并用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件記錄反應(yīng)過(guò)程。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.儀器與藥品

Vernier色度計(jì) （COL－BTA型），Venier溫度傳感器（TMP－BTA），Vernier LabPro 數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集軟件（Logger Pro 3.8.5.1），比色皿，滴管，量筒（10 mL），恒溫磁力攪拌器。

硫代硫酸鈉溶液，硫酸溶液。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）如裝置圖 1所示連接各裝置，接好數(shù)據(jù)采集器外接電源，打開數(shù)據(jù)采集軟件。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

（2）色度計(jì)用蒸餾水校準(zhǔn)，并取硫代硫酸鈉與硫酸混合液樣品尋找最大吸收波長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證，選用吸收波長(zhǎng)為430 nm。

（3）將 0.025 mol／L 硫代硫酸鈉和 0.025mol／L 硫酸放置在恒溫?cái)嚢杵魃纤”亍?分別取60、50、40、30、20℃下溶液各2mL，在比色皿中混合，放入色度計(jì)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。（每0.25s讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間300s，下同）。

（4） 將 0.1mol／L 硫酸與 0.05、0.025、0.0125mol／L 硫代硫酸鈉各2mL，在比色皿中混合，放入色度計(jì)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

（5） 將 0.05mol／L 硫 代 硫 酸 鈉 與 0.05、0.025、0.0125mol／L 硫酸各 2 mL，在比色皿中混合，放入色度計(jì)內(nèi)并記錄數(shù)據(jù)。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

1.溫度對(duì)于反應(yīng)速率的影響

2 mL 0.025mol／L 硫代硫酸鈉與 2 mL 0.025mol／L 硫酸混合， 分別在 60℃（a）、50℃（b）、40℃（c）、30℃（d）、20℃（e）下反應(yīng)的吸光度（A）隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度下硫代硫酸鈉與硫酸反應(yīng)吸光度隨時(shí)間變化曲線

顯然，不同溫度下，反應(yīng)達(dá)到相同吸光度所需要的時(shí)間是不同的。選取吸光度（A）為0.5和0.7為觀察點(diǎn)，定義相應(yīng)吸光度與達(dá)到所需時(shí)間的比為表觀速率（由朗伯比爾定律可知，表觀速率與實(shí)際速率成正比），并計(jì)算同一溫度下吸收度（A）分別為0.5和0.7時(shí)的表觀速率的均值，得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果見表1。

表1 不同溫度反應(yīng)速率數(shù)據(jù)表

即溫度從20℃上升到30℃，反應(yīng)速率增加1.71倍（v30／v20＝1.71）， 同理有 v40／v30＝1.86，v50／v40＝1.38，v60／v50＝1.28。

2.濃度對(duì)于反應(yīng)速率的影響

（1）測(cè)定硫代硫酸鈉濃度變化對(duì)反應(yīng)速率的影響

2 mL 0.1mol／L 硫 酸 分 別 與 2 mL 0.05mol／L （a）、0.025 mol／L （b）、0.0125 mol／L （c） 硫代硫酸鈉溶液混合，測(cè)得反應(yīng)的吸光度（A）隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 不同濃度硫酸與硫代硫酸鈉反應(yīng)吸光度隨時(shí)間變化曲線

選取吸光度（A）為 0.5 和 0.7 為觀察點(diǎn)，不同濃度下反應(yīng)時(shí)間如表2：

表2 不同濃度硫代硫酸鈉反應(yīng)達(dá)到相應(yīng)吸光度所需時(shí)間

為比較濃度對(duì)速率影響的大小，我們定義一個(gè)速率影響因子X。X為在不同濃度時(shí)，達(dá)到某一吸光度（A）所需的最長(zhǎng)時(shí)間與最短時(shí)間的差值與最短時(shí)間之間的比值。

表示為 XA＝（tmax－tmin）／tmin

則 X0.5＝5.97，X0.7＝6.18，取均值，X＝6.08。

（2）測(cè)定硫酸濃度變化對(duì)反應(yīng)速率的影響

2 mL 0.05 mol／L 硫代硫酸鈉分別與 2 mL 0.05 mol／L（a）、0.025 mol／L（b）、0.0125 mol／L（c）硫酸溶液混合，測(cè)得反應(yīng)的吸光度（A）隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同濃度硫代硫酸鈉與硫酸反應(yīng)吸光度隨時(shí)間變化曲線

選取吸光度（A）為 0.5 和 0.7 為觀察點(diǎn)，不同濃度下反應(yīng)時(shí)間如表3：

表3 不同濃度硫酸反應(yīng)達(dá)到相應(yīng)吸光度所需時(shí)間

同理，X0.5＝1.30，X0.7＝1.70，取均值 X＝1.50。

五、研究結(jié)果與討論

1.升高溫度可以提高反應(yīng)速率。在本實(shí)驗(yàn)條件下，硫代硫酸鈉與硫酸的反應(yīng)每升高10K反應(yīng)速率提高1.28－1.86倍，且在溫度較低時(shí)，升高溫度可以更顯著的提高反應(yīng)速率。

2.不同反應(yīng)物濃度變化對(duì)反應(yīng)速率的影響可能不同。根據(jù)速率影響因子大小，可以看出在相同條件下，硫代硫酸鈉的濃度對(duì)于反應(yīng)速率的影響比硫酸濃度影響要大得多（6.08＞＞1.50）。 對(duì)于該現(xiàn)象的初步解釋是硫代硫酸鈉與硫酸反應(yīng)可能分為兩步進(jìn)行：

其中反應(yīng)①速率快，而②反應(yīng)速率較慢，為決速步，故總反應(yīng)速率受氫離子濃度影響不大。

3.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于引入定量及半定量的方式研究溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。學(xué)生可以利用色度計(jì)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出溫度升高確定數(shù)值時(shí)反應(yīng)速率增加的倍數(shù)，并發(fā)現(xiàn)不同溫度區(qū)間內(nèi)溫度對(duì)速率的影響程度是不同的。這對(duì)有興趣的學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)范特霍夫規(guī)則甚至阿侖尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式具有很好的啟發(fā)性。

4.用定量及半定量的方式研究濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響可以深化學(xué)生的認(rèn)知，開發(fā)了課本上該實(shí)驗(yàn)的潛在教學(xué)價(jià)值。之前的學(xué)習(xí)中學(xué)生只知道反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度成正比這一模糊的概念，而本實(shí)驗(yàn)探究可以較好地引發(fā)認(rèn)知沖突，讓學(xué)生初步意識(shí)到不同反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響程度可能不同，從而激活學(xué)生的思維。

［1］ 北京師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室.無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（第四版）［M］.北京：高等教育出版社：272－278

［2］ 北京師范大學(xué)，華中師范學(xué)院，南京師范學(xué)院無(wú)機(jī)化學(xué)教研室.無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（第 1 版）［M］.北京：人民教育出版社：135－137

［3］ 宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)4 （必修）［M］.北京： 人民教育出版社，2007： 20