文档介绍：复杂反应------ 丙酮碘化反应
实验目的
采用分光光度法测定用酸作催化剂时丙酮碘化反应的速率系数、反应级数和活化能。
通过本实验加深对复合反应特征的理解。
熟练掌握分光光度计的原理和使用方法。
实验原理
只有少数化学反应是由一个基元反应组成的简单反应,大多数化学反应并不是简单反应,而是由若干个基元反应组成的复合反应。大多数复合反应的反应速率和反应物浓度间的关系,不能用质量作用定律表示。因此用实验测定反应速率与反应物或产物浓度间的关系,即测定反应对各组分的分级数,从而得到复合反应的速率方程,乃是研究反应动力学的重要内容。
对于复合反应,当知道反应速率方程的形式后,就可以对反应机理进行某些推测。如该反应究竟由哪些步骤完成,各个步骤的特征和相互联系如何等等。
实验测定表明,丙酮与碘在稀薄的中性水溶液中反应是很慢的。在强酸(如盐酸)条件下,该反应进行得相当快。但强酸的中性盐不增加该反应的反应速率。在弱酸(如醋酸)条件下,对加快反应速率的影响不如强酸(如盐酸)。
酸性溶液中,丙酮碘化反应是一个复合反应,其反应式为:
(1)
该反应由H+催化,而反应本身又能生成H+,所以这是一个H+自催化反应,其速率方程为: (2)
式中:r—反应速率;
k—速率系数;
、、、—分别为丙酮、碘、氢离子、碘化丙酮的浓度,;
、、—分别为反应对丙酮、碘、氢离子的分级数。
反应速率、速率系数及反应级数均可由实验测定。
丙酮碘化对动力学的研究是一个特别合适而且有趣的反应。因为在可见光区有一个比较宽的吸收带,而在这个吸收带中,盐酸和丙酮没有明显的吸收,所以可以采用分光光度计测定光密度的变化(也就是浓度的变化)来跟踪反应过程。
虽然在反应(1)中没有其它试剂吸收可见光,但却存在下列一个次要却复杂的情况,即在溶液中存在、和的平衡:
(3)
平衡常数。其中在这个吸收带中也吸收可见光。因此溶液吸收光的数量不仅取决于的浓度,而且也与的浓度有关。根据朗伯-比尔定律:
(4)
式中:D—光密度(消光度);
—吸收系数;
—比色皿的光径长度;
—溶液的浓度。
含有和溶液的总光密度D可以表示为和两部分光密度的和,即:
(5)
吸收系数和是吸收光波长的函数。在特殊情况下,即波长λ=565nm时,,上式变为
(6)
也就是说,在565nm这一特定的波长条件下,溶液的光密度D与和浓度之和成正比。因为ε在一定的溶质、溶剂和固定的波长条件下是常数。使用固定的一个比色皿,L也是一定的,所以(6)式中,常数就可以由测定已知浓度碘溶液的光密度D而求出。
在本实验条件下,实验将证明丙酮碘化反应对碘是零级反应,即β=0。由于反应并不停留在一元碘化丙酮上,还会继续进行下去,因此反应中所用的丙酮和酸的浓度应大大过量。而所用的碘量很少。这样,当少量的碘完全消耗后,反应物丙酮和酸的浓度可以认为基本保持不变。
实验还进一步表明,只要酸度不很高,丙酮卤化反应的速率与卤素的浓度和种类(氯、溴、碘)无关(在百分之几误差范围内),因而直到全部碘消耗完以前,反应速率是常数,即
(7)
从(7)式可以看出,将对时间t作图应为一条直线,其斜率就是反应速率r。
为了测定反应级数,例如指数α,至少需进行两次实验。在两次实验中丙酮的初始浓度不同,和的初始浓度相同。若用