影响草酸与酸性高锰酸钾溶液反应速率因素的探究.pdf

实验研究 影响草酸与酸性高锰酸钾溶液反应速率因素的探究 谢晓青 ，王伟群 ，顾菲菲 ( 1 苏州大学材料与化 学化工学部，江 苏苏州2 1 5 1 2 3 ；2 苏州中学，江苏苏州2 1 5 1 2 3 ) 摘要： 通过 S P S S 1 6 0设计正交试验， 利用手持技术研究各反应物浓度对草酸与酸性高锰酸钾溶液反应影响的显著程度， 结果表 明硫酸浓度的主效应显著； 在得出适宜高锰酸钾和草酸浓度的基础上， 进一步研究课堂实验所需硫酸的适宜浓度； 探究了Mn 的自 催化作用和温度对该反应速率的影响， 认为在改进的基础上本实验可作为课堂实验研究影响化学反应速率的因素。 关键词： 草酸与酸性高锰酸钾溶液反应； 正交试验； 色度计 文章编号： 1 0 0 5 6 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 5 6 0 3 中图分类号： G 6 3 3 8 文献标识码 ： B 1 问题的提 出 为证 明浓度对反应速率的影响， 人教社普通高 中新课程标准实验教科书 化学反应原理 设计了如 下实验 f l 1 ： 取两支试管， 各加人 4 m L 0 0 1 m o l L 的 K Mn O 酸性溶 液， 分别 向其 中加入 0 1 m o l L 、 0 2 m o l L H ， C ， 0 溶液 2 mL ， 记录溶液褪色所需的时间。 本实验预期的现象是溶液颜色由紫色逐渐褪为无色， 且 H C 0 浓度大的试管溶液先褪色。 教师用书对这个 实验的建议还有 【2 】 ： ( 1 ) K Mn O 溶液的浓度不能太大， 否则溶液褪色不容易； ( 2 ) 为保证溶液的紫红色彻底褪 去， 实验中草酸用量要过量。 然而实验结果并不尽如人意。 如实验过程颜色复 杂， 且褪色先缓慢， 后逐渐加快； 最大的问题是结果与 设想的不符， 草酸浓度大， 反应速率却更慢。 不少教 师对实验进行了探究： 有的建议采用更小浓度的酸性 K Mn O 溶液 ( 0 0 0 1 m o l L ) 和含少量 Mn 的草酸反 应 【 3 ； 有的建议变换试剂加入顺序， 将量少的高锰酸钾 加入到量多的草酸中 ； 有的建议适当提高 H s O 溶 液的浓度可缩短颜色拖尾的时间 ； 有的研究发现草 酸和高锰酸钾在一定浓度范围内， 浓度增加， 反应速率 能加快， 建议控制溶液浓度在一定范围做实验 ； 有的 认为 M n 在反应过程中的自 催化作用导致反应复杂， 本实验不适宜作为研究浓度对反应速率影响的实验【 。 本实验能否作为课堂实验研究浓度对化学反应速 率的影响? 适宜的条件是怎样 的?我们设计了正交试 验， 利用 V e r n i e r 手持色度计和数据采集器研究实验， 通过 S P S S 1 6 0处理实验数据， 探究影响实验的因素和 适宜条件。 2 正交试验法探究反应物浓度对反应速率的影 响 2 1 试验 因素及 水平 高锰酸钾与草酸的反应如下： 2 KMnO4 + 5 H2 C2 04 + 3 H2 S O4 一 K2 S O4 + 2 Mn S O4 + I O C O 2 f+ 8 H 2 0 硫酸在反应 中的作用是提供酸性的环境， 因为 在弱酸性、 中性和弱碱性溶液中， 反应的还原产物为 Mn O， l 8 】 ，可见硫酸在这个反应中也是一种反应物。 本实 验目的是研究反应物高锰酸钾、 草酸和硫酸的浓度对 反应速率影响的显著程度。 根据以往的实验结论确定 的实验因素及水平见表 1 。 表 1 实验因素及水平 ( 室温： 2 6 ) A ( 高锰酸钾浓度) B ( 草酸浓度) m o 1 L c ( 硫酸浓度) m o 1 L mo 卜 L 一 1 00 0 5 0 1 6 2 0 0 1 0 0 5 1 2 3 0 0 1 5 0 9 1 8 2 2 买验 方 法 本实验通过 V e r n i e r 手持色度计和数据采集器测 定溶液光透过率的变化， 记录反应所需的时间， 确定反 应的快慢。 色度计是一种通过对光的吸收比例来测量溶 液浓度的传感器， 溶液浓度越大， 透过率越小。 反应过 程透过率的变化指示反应进程中溶液浓度的变化。 高 锰酸钾溶液的最大吸收波长为 5 2 5 n l ， 5 0 0 6 0 0 n m 波长是本实验高锰酸钾的选择性区域 m ， 我们选用色 度计中波长最接近的 5 6 5 n m光源， 实验中溶液透过率 的变化示意反应过程中高锰酸钾浓度的变化。 应用S P S S 1 6 0 设计试验方案 ， 试验安排见表 2 。 实验方法是： 在 4 m L高锰酸钾溶液中加人 0 4 mL硫 酸， 混合均匀， 冷却至室温。 量取 2 mL混合液于比色 皿， 加入 1 mL草酸， 采集数据。 当透过率数值连续 1 0 本文系江苏省教育科学 “ 十二五” 规划课题 数字传感技术与中学化学教学的有效整合 的阶段性研究成果 ( 项目编号： D 2 0 1 1 0 2 1 9 4 ) 。 5 6 化学教 学 2 0 1 2年第 1 2期 实验研究 次 为 1 0 0 后， 停止数据采集。透过率 一 时间曲线如 图 1 所示。 反应褪色时间为从反应开始到透过率达到 1 0 0 ， 即从图 A到点 B的时间， 结果填人表 2 。 1 0 0 饕5 0 喇 0 ， 囱 囚 夕 O 5 0 1 0 0 1 5 0 时间 ( 秒) 图 1 透过率一时间曲线 表 2 试验安排及结果 A ( 高锰酸钾浓度) B (草酸浓度) C (硫酸浓度) 褪色时间 m0 1 L 一 m0 1 L 一 i n 0 l L 一 s 1 3 3 1 3 3 6 2 l 2 3 8 2 3 3 l 3 7 6 4 l 3 2 1 3 3 5 2 3 3 1 02 6 3 2 2 1 5 6 7 2 2 1 3 O0 8 2 1 2 1 1 5 9 1 l l 2 OO 2 3 试验结果的处理及讨论 应用 S P S S 1 6 0对正交试验结果进行方差分析， 结 果如表 3所示： 表 3 各因素水平的数据处理结果 浓度 mo 1 L 平均褪色时间 s F值 显著性 ( ) 0 0 0 5 1 3 8 3 3 3 A ( 高锰 酸钾) 0 0 1 0 1 7 2 3 3 3 4 1 3 7 0 1 9 5 0 01 5 1 8 9 3 3 3 0 1 1 3 O 3 3 3 B ( 草酸) O 5 1 7 9 3 3 3 6 2 6 0 O 1 3 8 0 9 1 9 0 3 3 3 6 2 7 8 6 6 7 C ( 硫酸) 1 2 1 3 4 6 6 7 6 1 2 5 2 0 0 1 6 1 8 8 6 6 6 7 分析表 3 ， 三因素中只有因素 c硫酸浓度对反应 速率影 响的显著性 水平 仅 = O 0 1 6 0 0 5 ， 因素 B草酸浓度对反应速率影 响的显著性水平 o r = 0 1 3 80 0 5 ， 高锰酸钾和草酸的 浓度对反应速率的影响不显著。 资料表明： H C ： 0 与 K M n O 溶液反应过程中会有 Mn ( V I ) 、 Mn ( V) 、 M n ( I V) 、 M n( I I I ) 等不稳定的中间价态离子生成， 生成的 Mn 对反应有催化作用， 而当草酸浓度较大时， 会与这些离 子发生配合反应而影响反应速率 1 2 0由于反应机理复 杂， 高锰酸钾和草酸反应的动力学模型很难用数学函 数来描述 ， 这也导致本实验不能简单地根据总反应 来判断高锰酸钾和草酸浓度对反应速率的影响。 根据表 3 ， 因素 A中A 均数最小； 因素 B中B ， 均 数最小， 可确定因素 A、 B的较适宜实验条件为 A 、 B l ， 即高锰酸钾浓度为 0 0 0 5 m o l L 、 草酸浓度为 0 1 m o l L 时， 反应最快。 3 硫酸浓度对本实验化学反应速率的影响研究 根据正交试验的结果， 硫酸浓度对反应速率影响 的主效应显著， 那硫酸的浓度是怎样影响本反应速率 的呢? 3 1 实验方法 在 4 mL 0 0 0 5 mo l L 高锰酸钾溶液 中加入 0 4 m L不同浓度的硫酸， 量取 2 mL 于比色皿中， 加入 1 m L 0 1 mo l L 草酸， 采集数据， 得到图2 。 1 0 0 鹑5 0 喇 0 f r ， ， f 。 回 回 回 JL 国 回 J J J J ff 02 , *r 一 J - 一 l l 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时间 ( 秒j 图 2 不 I司硫 酸 浓度 下透过 翠 一时 间曲线 3 2 实验 结果分析 分析图 2 ， 硫酸浓度增大， 反应中溶液褪色所需时 间变短， 反应速率加快。由此可见， 反应物硫酸浓度的 变化对反应速率的影响与教材中关于反应物浓度对反 应速率的影响一致。 具体时间见表 4 。 表 4 不同硫酸浓度下反应的褪色时间 硫 酸 浓 度 m o l L l 8 1 6 1 4 1 2 10 86 褪色时间 s 6 7 8 3 9 0 1 0 3 1 2 9 1 4 6 l 2 0 0 5 7 实验研究 卜一 = =、 拓展探究 根据课堂实验的合适时间， 可选溶液的褪色时间 约为 1 分钟和 2 分钟的两份溶液， 即此时硫酸的浓度为 1 8 mo l L 和 1 0 m o l L ， 这也有利于学生观察这两个 反应速率的差异。 4 Mn 对反应速率影响的探究 分析图1 和图2 ， 反应中溶液透过率随时间的变化 曲线有一个突然增大的过程， 说明反应先慢后快， 这是 反应产生的Mn 在反应中起催化作用 1 4 o 那怎样利用 该反应研究催化剂对反应速率的影响呢? 4 1 实验方法 在 4 m L 0 0 0 5 m o l L 高锰酸钾溶液中加人 0 4 m L 1 0 to o l L 硫酸， 量取 2 mL 该溶液于比色皿中， 加 人 1 m L 0 1 m o l L 草酸和 1 滴 0 1 m o l L M n S O 溶 液或 1 滴蒸馏水的混合液， 采集数据， 得到图3 。 褂 时 间 (秒 ) 图3 Mn 的加入对反应的影响 4 2 实验结果分析 分析图3 ， 硫酸锰溶液的加入使反应起始阶段曲 线的斜率增大， 说明开始时反应速率就加快了 褪色时 间缩短， 说明反应加快。 本实验可作为探究催化剂对反 应速率影响的实验。 图 2中的各曲线也表明， 尽管反应开始时硫酸的 浓度不同， 但曲线的形状基本相同， 只是褪色所需的时 间不同。 可见自催化作用并没有对浓度对反应速率的 影响的整体趋势产生影响， 不会影响硫酸浓度对反应 速率影响实验的观察。 5 温度对反应速率影响的探究 5 1 实验方法 在 4 mL 0 0 0 5 m o l L 高锰酸钾溶液中加入 0 4 mL 1 0 to o l L 硫酸， 将盛有混合溶液的试管放 置到 5 0 C 的水浴里加热 2 mi n ， 量取 2 m L混合液于比色皿 中， 加入在 同样的水浴里加热过的 0 1 m o l L 草酸 1 m L ， 采集数据。 5 2 实验 结果及讨论 5 0 C 时， 以上实验所需的褪色时间为 1 6 S ， 室温 ( 2 6 ) 时， 褪色时间为 1 2 9 s 。 可见， 温度升高， 反应的 速率明显加快。 因此， 该实验也可作为探究温度对反应 速率影响的实验。 6结论 通过以上实验， 草酸与酸性高锰酸钾溶液的反应 可作为课堂实验探究浓度、 催化剂、 温度对反应速率的 影响， 实验方法如下： ( 1 ) 浓度对反应速率的影响： 两支试管各加 4 m L 0 0 0 5 m o l L 高锰酸钾溶液， 分别加 0 4 m L 1 8 m o l L 硫酸和 1 0 m o l L 硫酸， 同时各加 2 mL 0 1 m o l L 草 酸， 比较褪色时间。 ( 2 ) 催化剂对反应速率的影响： 两支试管各加 4 m L 0 0 0 5 m o l L 高锰酸钾溶液和 0 4 m L 1 0 m o l L 硫酸； 另取两支试管， 各加 2 mL 0 1 to o l L 草酸， 分别 加入 2滴 0 1 m o l L Mn S O 溶液和 2滴蒸馏水， 混合， 比较褪色时间。 ( 3 ) 温度对反应速率的影响： 两支试管各加 4 m L 0 0 0 5 m o l L 高锰酸钾溶液和 0 4 m L 1 0 m o l L 硫酸， 支放置到 5 0 的水浴里加热 2 m i n ， 另一支于室温中， 另在两支试管中g r J J 人 2 m L 0 1 m o l L 草酸溶液， 也 是将其中的一支于水浴中加热 2 m i n ， 另一支置于室温 中， 比较该反应在室温和 5 0 C 时的褪色陕慢。 7 几点说明 ( 1 ) V e r n i e r 色度计共有4 个发光二极管： 紫色 ( 4 3 0 n m) 、 兰色 ( 4 7 0 a m) 、 绿色( 5 6 5 n m) 、 红色 ( 6 3 5 n m) 。 ( 2 ) 本实验中酸性高锰酸钾和草酸的混合在比色 皿中进行， 为保证实验起始条件相同， 不振荡， 反应在 自 然扩散下进行。 ( 3 ) 严格地说有气泡产生的实验不能用色度计， 本实验过程产生的气泡不明显， 没有影响实验数据的 收集。 极偶尔产生的气泡会使形成的曲线变形， 舍弃重 做。 参考文献： 1 】 宋心琦主编 普通高中新课程标准实验教科书化学反应原理 M 北京： 人民教育出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 0 2 人民教育出 版社 h t t p ： w ww p e p c o rn c n g z h x g z h x j s 【 3 】 陈久宽， 杨永根 对草酸与高锰酸钾反应的探究 f J 实验教学 与仪 器， 2 0 0 7 ，( 7 - 8 ) ： 6 3 6 4 4 王春 草酸与高锰酸钾反应的原理探究与改进建议 L 化学教 育， 2 0 1 0 ，( 5 ) ： 6 6 ， 7 9 5 】 周晓晖 对草酸与酸性高锰酸钾溶液反应实验的探究E l i实 化 学教学 2 0 1 2年 第 1 2期 实验研究 二氧化硅一 磺酸催化合成苯甲酸甲酯 阳志高，侯志宏，隆坤明，赖会清 ( 宁乡县第一 高级中学，湖南长沙4 1 0 6 6 0 ) 摘要： 利用中学阶段常见实验原理， 制备二氧化硅一 磺酸催化剂， 并用于苯甲酸甲酯的合成研究； 与传统浓硫酸催化剂相比较， 在 催化效果相当的基础上更符合绿色化学理念 ； 该实验拓宽了学生的视野， 贯彻了新课程理念 ， 具有较强的可操作性。 关键 词： 二氧化硅一 磺酸； S T S 教育； 苯甲酸甲酯； 催化 文章 编号 ： 1 0 0 5 6 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 5 9 0 2 中图分类号 ： G6 3 3 8 文献标识码 ： B 我国在 2 0世纪 8 0年代中期引进了有关 S T S教育 的理念， 并对大、 中、 小学 S T S 教育进行了理论和实践 的研究 ” ； 在化学基础性课程中融人 S T S 思想， 有如 下目的： ( 1 ) 提高学生在问题解决过程中的分析性思维、 创造性思维和实践性思维能力； ( 2 ) 培养学生因对化 学世界的了解和认识而产生的一种充实感和兴奋感； ( 3 ) 能恰当地使用化学术语， 运用化学概念和原理去 解决 日常生活中的化学问题， 理智地参与公众对化学 与技术的讨论；( 4 ) 增强学生的社会责任感， 将可持续 发展思想根植在学生的认识中。 在化学科 目教材内容 的设置与目标要求上， 现行新课程标准更加突出了S T S 教育的思想， 比如在选修 5 有机化学基础 第二章 “ 烃 和卤代烃”、 第三章 “ 烃的衍生物”中就明确要求学生 能够结合生产、 生活实际， 了解某些烃、 烃的衍生物对 环境和健康可能产生的影响， 关注有机化合物的安全 使用等问题。 苯甲酸甲酯， 又名安息香酸甲酯， 是中学化学中常 见的酯类物质； 苯甲酸甲酯存在于天然的丁香油、 依兰 油和月下香油中， 具有水果香味， 可用于配制菠萝、 草 莓、 樱桃等香料， 也大量用于食品中 口 】 。目前合成苯甲 酸甲酯主要是采用浓硫酸做催化剂， 通过苯甲酸与甲 醇酯化反应制得； 浓硫酸具有的特殊性质使该方法副 产物多， 且对设备腐蚀严重， 分离提纯步骤复杂且易造 成环境污染， 不符合绿色化学理念。 我们在中学化学实 验教学的框架下 通过学生兴趣实验与教师指导相结 合的方法， 用合理的方法制备二氧化硅一 磺酸， 并用于 苯甲酸甲酯的合成， 取得非常理想的结果， 培养了学生 的实验能力和创造能力， 通过认识和解决生产生活中 的化学问题， 感悟到科学研究的魅力。 1 实验过程 1 1 实验用品 硅酸钠 A R， 0 5 m o l L稀硫酸， 氯磺酸 A R， 氯化钠 A R， 氢氧化钠 A R， 甲醇 A R ， 苯甲酸 A R ， 碳酸钠 A R， 磺酸树脂， 硫酸氢钠 A R ， 六水三氯化铁 C R， 2 m o l L盐 酸， 浓硫酸。 烧杯， 量筒， 酒精灯， 温度 蒸馏烧瓶， 四颈烧 瓶， 干燥器， 冷凝管， 分液漏斗， 漏斗， 圆底烧瓶， 锥形 瓶， 铁架台， 电子天平， 恒温电磁搅拌反应器。 1 2 二氧化硅 一 磺 酸催化 剂的制备 通过水玻璃和硫酸反应生成硅酸， 硅酸分子之间 缩合形成多聚硅酸 ， 经胶凝后便成为硅胶， 实验原理