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第6章 关于反应平衡理论的实验操作和改进(3)

碘酸与过氧化氢在酸性条件下,生成碘、氧气和水,这个反应可在锰催化下迅速完成,但在二价铜离子存在下被阻化,就是说可对这个反应起负催化作用。方程式如下:

5H2O2+2IO-3+2H+可被Mn2+催化、被Cu2+阻化I2+5O2+6H2O实验准备

(1)药品MnSO4溶液(4克硫酸锰溶于250毫升蒸馏水中),H2O2溶液(30%),H2SO4溶液(1摩/升)KIO3溶液(53克碘酸钾溶于250毫升水中),CuSO4溶液(1克硫酸铜溶于250毫升蒸馏水中)。

(2)仪器:25ml量筒1只,10ml量筒5只,100ml烧杯6只。

实验步骤

(1)在A烧杯中移入225ml蒸馏水、并在其中注入10ml1摩/升H2SO4和5mlKIO3溶液。

(2)在烧杯B中放入175ml蒸馏水,并在其中注入10ml1摩/升H2SO,5ml硫酸锰溶液和5mlKIO3溶液。

(3)在烧杯C中注入75ml蒸馏水,并加入10ml1摩/升H2SO4、5mlMnSO4溶液、5mlKIO3溶液和10mlCaSO4溶液。

(4)分别在上述三个烧杯中同时注入25ml30%H2O2溶液,观察各烧杯所发生的情况。

结果:

A烧杯3分钟后无反应或仅有轻微反应。

B烧杯中1分钟内即有I2生成。

C烧杯中6分钟内仍无反应。

由此证明,二价锰离子可催化反应进行,而二价铜离子阻碍反应进行。

讨论如果进一步探究二价锰离子为什么正催化这个反应而铜离子会负催化这个反应呢?

我们假定Mn2+催化体系中包括二氧化碘,而碘酸盐中不可避免会有I-,所以低氧化态碘在碘酸盐的酸性溶液中浓度总是很低:

HIO3+H++I-→HIO2+HIOHIO2+HIO3→2IO2+H2OMn2+的催化过程包括Mn2+和碘酸盐还原:

H++IO2+Mn2+→HIO2+Mn3+Mn3++H2O2→Mn2++H++OOH2HIO2→HIO+H++IO-32OOH→H2O2+O2HIO+H2O2→H++I-+O2+H2OHIO+H++I-I2+H2O至于Cu2+离子是这个反应负催化剂应是它阻碍了IO2和Mn2+的反应,使上述反应中IO2不能生成,从而不能生成I2,而阻碍了反应的进行。

注意事项(1)如果实验中,A杯与B杯速度不够明显的话,还可以将两杯溶液浓度作如下变化,A杯中反应物浓度减半,B杯中MnSO4溶度不变,其它物质浓度减半,C烧杯溶液不变。这样一般A杯中2分钟后必有反应。B杯立即反应,C杯6分钟后才有变化。

(2)如对C杯中CuSO4溶液可减少用量,可使C杯反应在15分钟后才有反应。

化学平衡的模拟装置

化学平衡观点的教育在中学化学教育中极为重要,然而学生对化学平衡理论知识点的形成及对化学平衡是一个动态平衡的理解较为困难。近几年的教学中,上海李惠利中学唐进进老师设计了一个模拟化学平衡的建立,动态平衡显现的简易演示实验,在教学中使用收到了良好的教学效果。

实验装置

①下口瓶②止水活塞③乳胶管④托盘天平⑤接水容器操作步骤

(1)连接好各仪器,注意橡皮塞连接处的气密性。关闭止水夹。

(2)调整下口瓶的高度,使乳胶管悬空,并使天平指针指向正中(可调整天平砝码)。实验过程中不可改变下口瓶的高度,否则将导致空载和负载两次平衡点偏移。

(3)开启止水活塞,水流入左瓶。此时天平开始倾斜,失去平衡(含意:提供反应物)。

(4)左瓶水面上升至出水管下端,开始流入右瓶。此时天平仍然倾斜,尚未平衡。(含意:反应开始,有生成物产生)。

(5)右瓶水面上升至出水管下端,水开始不断流出。此时天平重新达到平衡并保持平衡。(含意:随着生成物的增加,体系建立平衡,水仍在流动,但天平指针摆幅相同,此时平衡为动态平衡)。

说明

在作准备实验时,观察空载(瓶中无水)平衡点与负载(瓶中充水)平衡点是否一致,若不一致可以调整左、右两瓶出水管的相对高度,以保证两瓶内的水重量相等。

化学反应速度的演示实验

影响化学反应速度的因素很多。为了能更好地说明反应物的性质、浓度、催化剂和温度对反应速度的影响,丁亚红、杨演利老师介绍可利用下面的演示实验。

反应原理

利用亚铁盐或草酸盐使高锰酸钾溶液褪色来说明影响反应速度的主要因素,其反应方程式为:

MnO-4+5Fe2++8H3O+5Fe3++Mn2++12H2O(1)2MnO-4+5C2O2-4+16H3O+10CO2+2Mn2++24H2O(2)药品和仪器

(1)药品

02mol·L-1草酸钠(含05mol·L-1的硫酸),01mol·L-1硫酸亚铁铵,002mol·L-1高锰酸钾,28mol·L-1硫酸锰。

(2)仪器9个烧杯(100ml),移液管(10ml),温度计(0~100℃)。

演示方法

(1)空白试验

在盛有20ml蒸馏水的100ml烧杯中,加入1滴002mol·L-1高锰酸钾溶液,作为对照溶液。

(2)反应物性质的影响

在烧杯1中加入20ml01mol·L-1FeSO4(NH4)2SO4溶液;在烧杯2中加入20ml02mol·L-1Na2C2O4溶液。各加入1滴002mol·L-1高锰酸钾溶液,搅拌可看到烧杯1中紫色立即消失;而烧杯2中溶液约需5分钟褪色。其反应如方程(1)和(2)所示。

在烧杯2中再加1滴002mol·L-1高锰酸钾溶液,紫色褪去较快,约需25分钟。这是由于催化剂对反应速度的影响,下面将要讨论。

(3)反应物浓度的影响取两个100ml烧杯,一个中加入20ml02mol·L-1Na2C2O4溶液,另一个加入10ml同样溶液,稀释至20ml。其浓度为01mol·L-1。在两个烧杯中各加入1滴高锰酸钾溶液,搅拌,可看到浓度大的紫色消失较快,浓度小的约需8分钟方可褪色。

并不是所有的反应速度都随反应物浓度的增加而增大。要确切知道速度随浓度的变化规律,须通过实验来测定。

(4)催化剂的影响

在两个100ml烧杯中,各加入20ml02mol·L-1Na2C2O4溶液,其中一个加入两滴28mol·L-1MnSo4溶液。然后,分别加入1滴KMnO4溶液,可观察到加入MnSO4的烧杯中的紫色立即褪去,因为Mn2+是该反应的催化剂。

观察方程(2)可知,产物中有Mn2+离子生成,而Mn2+离子又是反应的催化剂,故称此类反应为自催化反应。事实上,演示实验2中,最后在盛有Na2C2O4溶液的烧杯中再加1滴KMnO4溶液,紫色消失较快,也说明产物Mn2+离子是此反应的催化剂。

(5)温度的影响

给盛有20ml02mol·L-1Na2C2O4溶液的两个烧杯中各加入1滴KMnO4溶液,其中一个已加热到55℃,另一个在室温下。搅拌,观察到较高温度下紫色很快消失。

在玻璃管中做NO2和N2O4的平衡试验

二氧化氮和四氧化二氮的平衡反应是说明温度对平衡影响的一个很好的例子。连云港市教师进修学院沈开惠老师介绍曾将这个平衡试验改在玻璃管中进行,并用于学生分组实验。

充NO2气的玻璃管的制作:

将直径为8-10mm的玻璃管每隔10cm拉一毛细管,并以三通连于NO2发生器的导管上。

将浓硝酸慢慢滴下,当棕红色NO2全部充满两根长玻璃管时,旋紧玻璃管两端的橡皮管上的自由夹,并和NO2发生器分离。然后用酒精灯火焰将毛细管熔断封口。这样,许多充满NO2的玻璃管便制成了。

实验:

(1)将两个充满NO2的玻璃管(颜色深浅一样)置于实验桌上,在每一个管中都存在如下平衡:

2NO2N2O4+136千卡(棕色)(无色)(2)将两充气玻璃管分别置入盛热水和冰水的两个烧杯中,放入冰水中的玻璃管颜色变浅,说明平衡向正反应方向移动;放入热水中玻璃管颜色变深,说明平衡向逆反应方向移动。

(3)将两充气玻璃管从热、冰水中拿出置于实验桌上,片刻,颜色又恢复一样,说明平衡又重新移到原来状态。

这一方法的优点是便于分组实验,没有污染和腐蚀,充气玻璃管可长期保存,使用方便。

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