第四節 利用碘時鐘法
簡介

此方法是利用澱粉與碘結合生成深藍色的複合體來顯示反應的進度,適用於涉及碘離子的氧化還原反應。

\[{{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\ \xrightarrow{\text{氧化劑}} {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\]

右側的影片中,展示了以過氧化氫為氧化劑時,利用碘時鐘法來測定反應級數的實驗。其中涉及的化學反應包括:

  • 主反應:\({{\text{H}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{H}}^{\text{+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\)
  • 監控反應:\(\text{2}{{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ {{\text{S}}_{\text{4}}}{{\text{O}}_{\text{6}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{I}}^{-}}\left( \text{aq} \right)\)
  • 指示劑的反應:\(\text{澱粉}\ \text{+}\ {{\text{I}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{深藍色溶液}\)
過氧化氫與碘化鉀之間氧化還原反應的進程
實驗的注意事項

通過上面的影片可以看出:在反應過程中,溶液的顏色會突然變成深藍色。我們假設:溶液轉變為深藍色時,溶液中的硫代硫酸根離子剛好被耗盡。這是因為,硫代硫酸根離子(\({{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}^{\text{2}-}\left( \text{aq} \right)\))被耗盡之後,生成的碘就不會轉化為碘離子,而使澱粉變為深藍色。

在實驗過程中,我們可以量度反應物起始濃度不同時,溶液轉變為藍色所需的時間,從而獲得反應物的起始濃度與反應初速率的關係曲線。

若要獲得碘離子(過氧化氫)的反應級數 ,實驗中就必須維持以下條件不變:

  • 過氧化氫(碘離子)的濃度
  • 氫離子的濃度
  • 硫代硫酸根離子的濃度
  • 反應混合物的總體積
  • 溫度等反應條件

即:在測定某一物質的反應級數時,必須確保其它物質的濃度和其它反應條件保持不變

實驗數據處理

一名同學利用碘時鐘法進行實驗,來測定硫酸的反應級數。實驗中,井穴條 \(\text{A}\) 中四個孔(編號為 \({{\text{A}}_{\text{1}}}-{{\text{A}}_{\text{4}}}\))內的溶液完全相同,包括碘離子(\(\text{0}\text{.60}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\),\(1\) 滴)、硫代硫酸根離子(\(\text{0}\text{.08}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\),\(1\) 滴)以及澱粉溶液(\(1\) 滴)。而井穴條 \(\text{B}\) 中的溶液為過氧化氫(\(1.5\ \%\))、水以及稀硫酸(\(\text{0}\text{.60}\ \text{mol}\ \text{d}{{\text{m}}^{-3}}\))的混合物。其具體資料及實驗數據如下表所示。

井穴條孔號 井穴條孔號 滴數 溶液變藍所需的時間 \(t\) \(\left( \text{s} \right)\)
\({{\text{H}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{aq} \right)\) \({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\) \({{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S}{{\text{O}}_{\text{4}}}\left( \text{aq} \right)\)
\({{\text{A}}_{\text{1}}}\) \({{\text{B}}_{\text{1}}}\) \(1\) \(7\) \(1\) \(61\)
\({{\text{A}}_{\text{2}}}\) \({{\text{B}}_{\text{2}}}\) \(1\) \(6\) \(2\) \(44\)
\({{\text{A}}_{\text{3}}}\) \({{\text{B}}_{\text{3}}}\) \(1\) \(4\) \(4\) \(22\)
\({{\text{A}}_{\text{4}}}\) \({{\text{B}}_{\text{4}}}\) \(1\) \(0\) \(6\) \(12\)

根據上表中的數據,分別計算硫酸的相對濃度和時間的倒數,並繪製兩者的關係曲線,找出硫酸的反應級數。

第一步:根據表格中的數據,分別計算硫酸滴數不同時,相應的反應初速率(\(\displaystyle{ \frac{1}{t} }\)),其結果如下表所示。

井穴條孔號 硫酸的相對濃度 溶液變藍所需的時間 \(t\) \(\left( \text{s} \right)\) 相對速率 \(\displaystyle{ \frac{1}{t}\left( {{\text{s}}^{-1}} \right) }\)
\(1\) \(1\) \(61\) \(0.016\)
\(2\) \(2\) \(44\) \(0.023\)
\(3\) \(4\) \(22\) \(0.045\)
\(4\) \(6\) \(12\) \(0.083\)

由坐標圖可知,硫酸的相對濃度與初速率成正比,即:

\[\text{速率}\propto \left[ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S}{{\text{O}}_{4}}\left( \text{aq} \right) \right]\ \text{或者}\ \text{速率}\ = k\left[ {{\text{H}}_{\text{2}}}\text{S}{{\text{O}}_{4}}\left( \text{aq} \right) \right]\]

所以,反應過程中,硫酸的反應級數為 \(1\)。

測量原理:溶液變藍所需的時間,與此時間內的平均速率成反比。

由於溶液變藍所需的時間較短,物質濃度的變化較小,我們假設溶液中,主反應涉及的各物質的濃度維持不變,並用相對平均速率表示相對初速率。即:

此時,時間的倒數就可用來代替相對初速率。

\[\displaystyle{ \text{初速}∝\frac{1}{\text{溶液變藍所需的時間}} }\]

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