謝惠春

（廣州市協(xié)和中學(xué)，廣東廣州510000）

草酸溶液和高錳酸鉀溶液的反應(yīng)是人教版化學(xué)選修四教材中證明濃度對反應(yīng)速率影響的重要實驗。實驗看似簡單，但是準(zhǔn)備時卻存在不少問題。除了經(jīng)常遇到濃度較小的草酸溶液先褪色的異常實驗現(xiàn)象以外，還存在以下問題。為了方便學(xué)生實驗，實驗老師準(zhǔn)備本實驗中所需高錳酸鉀酸性溶液時，一般都是提前酸化好的。由于酸化后的高錳酸鉀氧化性增強，非常容易變質(zhì)，大約1d 左右就由原來的紫紅色變成了橙紅色，2～3d 左右?guī)缀跬耆噬噭┢康撞窟€有大量黑色的物質(zhì)產(chǎn)生，使后續(xù)分組實驗無法進行。而沒有酸化的高錳酸鉀溶液，避光保存卻能放置長達半年。可否在準(zhǔn)備實驗時把高錳酸鉀和硫酸分開準(zhǔn)備，課堂上學(xué)生分組實驗時自己酸化？硫酸適宜的濃度是多少？是否還有其他的替代試劑更適合作為探究濃度影響反應(yīng)速率的實驗？筆者對此進行實驗研究。

1 實驗原理

KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應(yīng)基于原理：

圖1

經(jīng)查閱資料[1]，與C2O42-反應(yīng)是在Mn2+存在的情形下，（Mn2+是這個反應(yīng)的催化劑），反應(yīng)過程為：

在酸性較大的KMnO4溶液中加入草酸溶液，草酸的濃度較小時，以KMnO4的自身分解為主，當(dāng)草酸濃度較大時，因發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的速率和進度均較大而再分解的速率成了反應(yīng)的瓶頸。因此在酸性較大的KMnO4溶液中加入草酸后，草酸溶液濃度小的反而先褪色。[2]

2 實驗探究和改進

王春[2]建議改變試劑的加入順序，將少量高錳酸鉀加入到量多的草酸中；謝曉青等[1]通過正交試驗研究，表明硫酸濃度對反應(yīng)速率影響的主效應(yīng)顯著。孫運體[3]探究了濃硫酸酸化比例對反應(yīng)速率的影響。筆者按照文獻嘗試了先用濃硫酸酸化高錳酸鉀溶液，但加入濃硫酸后放熱明顯，需要冷卻后才能進行實驗。出于實驗安全和實驗時間的考慮，不建議課堂學(xué)生分組實驗時采用濃硫酸進行酸化。若硫酸的酸性太弱，反應(yīng)時間又過長，不利于課堂分組實驗的開展。為避免出現(xiàn)異常實驗現(xiàn)象以及解決反應(yīng)速率慢的問題，重點對硫酸的濃度以及替代試劑的可行性進行了探究。經(jīng)查閱文獻[4]，本實驗采用3 mol/L，4 mol/L 的硫酸進行酸化探究。

2.1 探究硫酸濃度對反應(yīng)速率的影響

實驗1 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)，結(jié)果見表1。

表1 實驗1 （硫酸濃度：3mol/L，實驗時間：2018.7.10）

實驗2 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)，結(jié)果見表2。

對比實驗1 和實驗2 可以得出：同等條件下，酸化高錳酸鉀的硫酸濃度越大，反應(yīng)速率越快，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。為了探究0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)的穩(wěn)定性探究，進行了實驗3和實驗4 見表3，4。

對比實驗1，3 和實驗2，4 可以得出，硫酸的酸化濃度為3 mol/L 時，實驗的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，出現(xiàn)了反常現(xiàn)象，濃度小的草酸溶液褪色快。而硫酸的酸化濃度為4 mol/L 時，實驗的穩(wěn)定性較好，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。

表2 實驗2（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間：2018.7.11）

表3 實驗3（硫酸濃度：3mol/L，實驗時間：2018.7.12）

表4 實驗4（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間：2018.7.12）

2.2 草酸的替代試劑（維生素C、葡萄糖）與KMnO4 酸性溶液的反應(yīng)

草酸和維生素C 均為常見的還原性有機物，可以嘗試將它們用于替代草酸溶液與高錳酸鉀酸性溶液反應(yīng)的實驗。但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀酸性溶液與維生素C 反應(yīng)速率過快，不適合作為探究反應(yīng)速率的物質(zhì)。

表5 實驗5（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間2018.7.13）

表6 實驗6（硫酸濃度：4 mol/L，實驗時間：2018.7.17）

王春[2]曾經(jīng)報道過可以用葡萄糖作為替代試劑與高錳酸鉀酸性溶液反應(yīng)，為得到更加符合學(xué)生分組的實驗，特進行了有關(guān)探究，見表5，6。

0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液反與不同濃度的葡萄糖溶液的反應(yīng)

從實驗5 得出，不同濃度的葡萄糖溶液分別與KMnO4酸性溶液進行反應(yīng)，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。該過程顏色變化明顯，且褪色時間相差較大，便于觀察，實驗效果好。為了探究實驗的穩(wěn)定性，特進行了實驗6。

表6 實驗6，0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應(yīng)的穩(wěn)定性探究。

從實驗6 得出：KMnO4酸性溶液與不同濃度葡萄糖溶液反應(yīng)穩(wěn)定性好，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律，適合用于濃度對反應(yīng)速率影響規(guī)律的實驗探究中。

3 實驗結(jié)果與討論

通過以上實驗，得出如下結(jié)論：1）KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應(yīng)的實驗方法為：取2 支試管，各加入4 mL 0.01 mol/L 的KMnO4溶液和1mL 4 mol/L 的硫酸，同時分別加入2 mL 0.1 mol/L H2C2O4溶液和0.2 mol/L H2C2O4溶液，比較褪色時間。2）KMnO4酸性溶液與葡萄糖溶液反應(yīng)的實驗方法為：取2 支試管，各加入2 mL 0.01 mol/L 的KMnO4溶液和1mL 4mol/L 的硫酸，同時分別加入2 mL 0.5 mol/L 葡萄糖溶液和1 mol/L 葡萄糖溶液，比較褪色時間。以上實驗均可在學(xué)生分組實驗時自行用4 mol/L 的硫酸酸化高錳酸鉀，沒有酸化的高錳酸鉀溶液可在棕色瓶中放置長達半年，有效避免了提前酸化高錳酸鉀變質(zhì)的問題。KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應(yīng)，實驗效果更明顯，穩(wěn)定性更好，能有效避免實驗出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。