求助 | 註冊 | 登入
影響反應速率的各項因素
by yangsp, 2011-07-31 21:56:15, 人氣(5504)

中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:吳鍬佩  E424031


 影響反應速率的各項因素(使用投影機)

簡介

使用少量的溶液,以簡單的實驗手續及粗略地估計時間,將影響化學反應速率的四項因素(反應物本質、濃度、溫度、催化劑),用投影機做說明。

示範步驟

1. 先擺放一張投影片於投影機上,以保護投影機的玻璃表面。
2. 在培養皿中倒入 20 mL 蒸餾水,滴3滴過錳酸鉀溶液,小心地以玻棒攪拌均勻,此時在投影機上會顯示過錳酸根溶液的顏色,將此作為對照組之用,如圖一所示。
3. 承步驟 2,再放上二個培養皿。
4. 承步驟 3,一個培養皿倒入 20 mL 草酸鈉溶液,另一個倒入 20 mL 硫酸亞鐵溶液。然後各加入 3 滴過錳酸鉀溶液,並小心地以玻棒攪拌均勻,比較兩者褪色時間,如圖二所示。
5. 承步驟 3,一個培養皿中放入 20 mL 草酸鈉溶液,另一個倒入 10 mL 草酸鈉溶液並以水稀釋成 20 mL。再各加入3滴過錳酸鉀溶液,並小心地以玻棒攪拌均勻,比較兩者褪色時間,如圖三所示。
6. 承步驟 3,二個培養皿中各倒入 20 mL 草酸鈉溶液,其中一個加入 3 滴 2.8 M 的硫酸亞錳(Ⅱ)溶液。再滴入 3 滴過錳酸鉀溶液,並小心地以玻棒攪拌均勻,比較兩者褪色時間,如圖四所示。
7. 將二個裝有 20 mL 草酸鈉溶液的燒杯,一個置於冰塊中,另一個加熱至 55-60oC。承步驟 3,在培養皿中分別倒入冰的草酸鈉溶液和熱的草酸鈉溶液,然後各加入3滴過錳酸鉀溶液,並小心地以玻棒攪拌均勻,比較兩者褪色時間,如圖五所示。

圖一

圖二

圖三

圖四

圖五

溶液和器材

1. 0.2 M 的草酸鈉溶液:5.36 克草酸鈉(Na2C2O4,sodium oxlate)加水至 200 mL,內含 1.0 N 硫酸溶液。
2. 0.1 M 的硫酸亞鐵溶液:0.3 克硫酸亞鐵(FeSO4,ferrous sulfate)加水至 20 mL,內含 1.0 N 硫酸溶液。
3. 0.02 M 的過錳酸鉀溶液:0.06 克過錳酸鉀(KMnO4,potassium permanganate )加水至 20 mL。
4. 2.8 M 的硫酸錳溶液:8.46 克硫酸錳(Ⅱ)(MnSO4,manganium sulfate)加水至 20 mL。
5. 投影機一台。
6. 空白投影片四張。
7. 培養皿三個。
8. 20 mL 量筒二支。
9. 100 mL 燒杯二個。
10. 酒精燈一座。
11. 三腳鐵架一個。
12. 石綿心網一片。
13. 玻棒二支。

原理和概念

1. 化學動力學(Chemical kinetics)亦稱化學反應動力學、反應速率論。為一門以化學反應的速率為研究對象的物理化學。從定量上加以調查有關影響化學反應速率的反應之基本反應物質之濃度、溫度和添加物等諸條件,並根據其結果以推測反應之基本反應過程的結構,進而從各基本反應過程獲得全反應速率的速率式。另外,也包括測定基本反過程的速率及其理論說明在內。
2. 此演示實驗以過錳酸鉀在酸性溶液與鐵(Ⅱ)離子或草酸根離子的氧化還原為主,其反應式如下所示:
8H+
(aq) + MnO4-(aq) + 5Fe2+(aq) → 5Fe3+(aq) + Mn2+(aq) + 4H2(g) 
              (稀溶液呈粉紅色)                            (無色)
16H+
(aq) + 2MnO4-(aq) + 5C2O42-(aq) → 10CO2(g) + 2Mn2+(aq) + 8H2O(l)
                                                                                       (無色)

教學提示

1. 可先將各溶液投影在投影機上,讓學生分辨並熟悉所用各種溶液的顏色。
2. 示範前應調整溶液的濃度,以便得知過錳酸根離子褪色的時間長短符合實際需要。
3. 在步驟 4中,可等待草酸根離子和過錳酸根離子反應完後(約 5 分鐘),再加入 3 滴過錳酸鉀溶液,將發現顏色很快便消失。這個現象可讓學生思考其原因,並於催化劑的部分一起探討之。
4. 當顏色無法在短時間發生變化時,為節省時間,可同時進行下個步驟,並注意褪色。
5. 在步驟 6 中,所添加的Mn2+離子為催化劑。因 Mn2+ 離子既是產物又是催化劑,故此反應為一自催化反應(autocatalystic reaction)。提示 3 所述即是如此。
6. 整個演示實驗結果為:反應物本質不同,對反應速率會有不同影響;反應物的濃度增大,反應速率變快;添加催化劑,反應速率變快;反應的溫度愈高,反應愈快。

問題和參考答案

1. 當步驟 4 的草酸根離子和過錳酸根離子反應完後,再加入3滴過錳酸鉀溶液,將有何發現?其原因為何?
答: 發現加入前 3 滴過錳酸根溶液時,在草酸鈉溶液中顏色消失的時間,比加入後三滴時所花時間長很多。原因是第二次加過錳酸鉀溶液時,原先的反應溶液中已有生成物 Mn (Ⅱ) 離子, 而促使反應加速(自催化反應)。 
2. 反應物的本質對反應速率會有何影響?
答: 不同反應物,反應的速率會不同。
3.  反應物濃度對反應速率有何影響?
答: 反應物濃度增大,增加了粒子碰撞機會,故反應速率增快。
4. 催化劑的有無會影響反應速率嗎?
答: 會。在有催化劑的情況下,反應速率將會加快。
5. 溫度與反應速率有何關係?
答: 溫度愈高,反應物粒子間運動速率愈快,在單位時間內碰撞次數就愈多,而且碰撞時具有的能量愈大,故反應速率變快。
6. 試解釋自催化反應(autocatalytic reaction)。
答: 在化學反應中,反應的生成物本身具有催化作用的現象稱為自催化反應。生成物可為正催化劑,亦可為負催化劑,一般所指自催化均係指正催化。當反應以自催化作用為主進行時,在反應初期有前導期,隨反應進行的時間反應速率會增大,並經由反應速的極大期之後,反應才算完成。

參考資料

1. 林敬二 等主編,英.中.日化學大辭典,民國82年2月初版,頁134,台北市,高立圖書有限公司出版。
2. 林敬二 等主編,英.中.日化學大辭典,民國82年2月初版,頁287,台北市,高立圖書有限公司出版。
3. 邱智宏,在投影機上演示「影響化學反應速率的各項因素」,科學教育月刊,第216期,頁31~33,國立台灣師大科學教育中心,民國88年1月。

適用程度

國民小學 國民中學 ˇ高級中學 ˇ大學普通化學

安全

 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

發表討論