第二節 實驗數據

由於以物理方法來找出反應速率,並不涉及化學反應,因此我們不需要採取樣本。我們會根據反應中反應物或生成物的轉變,運用特定的儀器來量度反應進度。

我們根據不同實驗的情況,可透過量出以下其中一項的轉變,來測定化學反應的進度。

  1. 氣體生成物(或反應物)的體積

  2. 反應混合物的質量

  3. 反應混合物的顏色深度

  4. 反應混合物的透光度

許多化學反應都會產生氣體生成物,或是消耗氣體反應物,或是產生氣體生成物的同時也消耗氣體反應物,這些都可導致氣體體積的改變。

金屬鈉與水的反應產生氫氣。

\[\text{2Na(s) + 2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(l)}\to \text{2NaOH(aq) + }{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{(g)}\]

隨著反應的進度,氣體生成物的體積漸漸增加。因此氣體的體積也反映了化學反應的進度。我們就是特定的時間間距,記錄氣筒的體積。

量度氣體生成物體積的實驗裝置

氮和氫反應生成氨。

\[{{\text{N}}_{\text{2}}}\text{(g) + 3}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{(g)}\overset{{}}{\leftrightarrows}\text{ 2N}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{(g)}\]

這個反應稍為複雜,因為它涉及氣體生成物的產生和氣體反應物的消耗。

這個反應中,\(1\) 摩爾的氮與 \(3\) 摩爾的氫反應,生成 \(2\) 摩爾的氨。因此隨著反應進度,氣體混合物的體積減少。

雖然氣體混合物的體積在持續減少,但我們還需按特定的時間間距,記錄氣筒體積,用以計算反應速率。

量度氣體生成物體積的實驗裝置

如果化學反應的過程中釋放氣體,我們便可透過量度反應混合物的質量來測定反應速率。

量度反應混合物的質量

金屬鈉與水的反應產生氫氧化鈉和氫氣。

\[\text{2Na(s) + 2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(l)}\to \text{2NaOH(aq) + }{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{(g)}\]

由於這個反應釋放氫氣,因此隨著反應的進度,反應混合物的質量減少。因此,我們在特定的時間間距,記錄反應混合物的質量,便可測定反應速率。

量度反應混合物的質量

如果化學反應的混合物在涉及顏色轉變(由無色的反應物變成有顏色的生成物,或是由有顏色的反應物變成無顏色的生成物),我們便可透過量度反應混合物中顏色的轉變來測定反應速率。

\[\text{B}{{\text{r}}_{\text{2}}}\text{(aq) + HC}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{H(aq)}\to \text{2B}{{\text{r}}^{-}}\text{(aq) + 2}{{\text{H}}^{\text{+}}}\text{(aq) + C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{(g)}\]

就以甲酸被溴氧化的反應為例,在水溶液中,溴是橙色的,而甲酸、溴離子、氫離子和二氧化碳都是無色的。在反應過程中,由於溴被不斷消耗,因此反應混合物的橙色會隨著反應進度而逐漸消失。

我們可用比色計都量度顏色的轉變。

比色計

當帶顏色的元素或化合物在溶液中的濃度越高,它的顏色則越深;反之亦然。

我們可運用比色計,在自定的時間間距量度反應混合物顏色強度的變化,從而推斷反應的速率。比色計是用來量度溶體顏色強度的儀器。

我們先把樣本放入特製的透明容器內,然後再放入比色計進行量度。在比色計內,濾鏡會先將光源過濾,只容許特定波長的光線進入,這光線會經過盛載樣本的容器,然後進入感光儀器。

如果帶色物的濃度較高,則較多光線被吸收,所以感光器只接收到較弱的光線;如果帶色物的濃度較低,則較少光線被吸收,所以感光器接收到較強的光線。感光器會以讀數的方式呈現結果,我們只要比較結果,通過計算,則可得出帶色物的濃度。

比色計的運用原理

某些化學反應會生成沉澱物,由於這些沉澱物不溶於溶液,因此我們便可利用這點來量度反應進度。

\(\text{N}{{\text{a}}_{\text{2}}}{{\text{S}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{3}}}\text{(aq) + 2HCl(aq)}\)
\(\to \text{2NaCl(aq) + S}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{(g) + }{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(l) + S(s)}\)

在這個化應中,硫代硫酸鈉與氫氯酸酸反應,生成沉澱物硫。隨著反應進度,越來越多沉澱物會積聚於反應容器的底部。

因此在實驗開始之前,我們先把一張畫了「十」字的卡紙放在透明容器的底部。當越來越多沉澱物積聚於反應容器的底部時,「十」字漸漸被覆蓋,我們就是要記錄「十」字被完全覆蓋(肉眼完全看不到「十」字)的時間。

「十」字測試
上一節
返回