CN109658794B - 用于自动测定双反应试剂体系反应时间的教学实验装置 - Google Patents

Abstract

用于自动测定双反应试剂体系反应时间的教学实验装置，包括恒温水浴反应器、恒温水浴漏斗以及变色反应自动检测计时装置。本发明装置结构设计独特，从多个方面克服了实验误差，使得实验装置整体准确可靠。

Description

用于自动测定双反应试剂体系反应时间的教学实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于自动测定反应时间的实验装置，尤其适用于教学实验。

背景技术

恒温水浴加热是实验教学过程中的常规操作，主要用于使反应溶液受热均匀并发生反应，目前，重庆大学《基础化学实验》测定化学反应速率与活化能实验项目中，实验装置仅局限于将锥形瓶与大试管放在水浴中恒温，当反应溶液达到目标温度后，将试管中的NaSO₃试液迅速倒入锥形瓶中与KIO₃发生反应，摇匀，肉眼判断变色并由此获得反应时间，根据反应时间即可求得反应的化学反应速率；改变温度，根据化学反应速率常数与温度倒数的关系式来求得反应活化能。上述方法中的实验装置存在温度控制精准度低，溶液搅拌不充分，温度调节耗时较长，反应时间测试误差较大等弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种教学实验装置，其能够克服上述提及的某种或某些缺点。

根据本发明的第一方面，提供了一种教学实验装置，用于借助可溶性淀粉变色指示来测定KIO₃溶液与Na₂SO₃溶液的反应时间，包括：

恒温水浴反应器，由无色透明玻璃一体形成，包括反应器本体和位于反应器本体外部的反应器夹套，其中反应器夹套下部设置有进水口且上部设置有出水口，反应器本体底部设置有带开关的排液管，反应器本体用于容纳KIO₃溶液和可溶性淀粉；

恒温水浴漏斗，包括漏斗本体和位于漏斗本体外部的漏斗夹套，其中漏斗夹套下部设置有进水口且上部设置有出水口，漏斗本体底部设置有带开关的漏斗长管，漏斗长管通入反应器本体，漏斗本体用于容纳Na₂SO₃溶液；

布置在反应器一侧的黄色激光器，用于产生线性黄色激光束，具有触发装置，该触发装置与漏斗长管上的开关联动，使得漏斗长管上的开关打开时触发该触发装置从而启动黄色激光器发出黄色激光束；以及

布置在反应器另一相对侧的计时器，计时器集成设置有光敏传感器和控制器，光敏传感器用于检测由黄色激光器发出并经过反应器的黄色激光束，当光敏传感器检测到黄色激光束时，控制器启动计时器开始并持续计时，当光敏传感器检测不到黄色激光束时，控制器停止计时器计时并输出相应读数。

根据本发明，漏斗长管上的开关对触发装置的触发可以采用物理接触形式。当然，也可以采用非物理接触形式例如无线信号收发形式或手动同步形式。

根据本发明所独特设计的装置结构，通过漏斗开关与激光器的联动，利用蓝色变色反应溶液对互补黄色激光的吸收作用而自动实现反应计时的开始和终止，从而自动测得反应时间，克服了人工计时所造成的多项误差，使得实验装置准确可靠。

另外，本发明还通过提供结构简单且易于操控的恒温水浴反应器和恒温水浴漏斗，最小化了温度变化影响，从而进一步提高了实验装置的准确性。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于测定双反应试剂体系的反应活化能的方法，包括：

提供恒温水浴反应器；

提供恒温水浴漏斗，并将其安装在反应器之上；

a)先将第一次反应的第一反应试剂以及反应指示剂加入反应器中；

b)等反应器中的第一反应试剂达到预定温度之后，再通过漏斗将第一次反应的第二反应试剂加入反应器中，同时进行搅拌，直至反应指示剂呈现变色指示；

c)从将第二反应试剂加入至反应器中开始，到反应指示剂呈现变色指示为止，测得第一次反应的反应时间；

d)打开排液管，将第一次反应的反应溶液排出；

重复步骤a)至d)，执行第二次反应；

再重复步骤a)至d)，直至执行第N次反应，其中N为大于或等于3的自然数，

其中第N次反应的第一反应试剂的浓度大于第(N-1)次反应的第一反应试剂的浓度；第N次反应的第二反应试剂的浓度大于第(N-1)次反应的第二反应试剂的浓度，

根据测得的N次反应的反应时间(t1、t2、……tN)，以及Na₂SO₃溶液浓度的相应变化，求得反应速率(v1，v2，v3......vN)以及反应级数并据此得出反应速率常数；

改变温度T重复以上步骤得出相应的反应速率常数k值，以lgk为纵坐标，1/T为横坐标作图，根据所得直线的斜率求出不同反应温度下的活化能Ea。

根据本发明的方法，第一反应试剂可以为KIO₃溶液，第二反应可以为Na₂SO₃溶液，指示剂可以为可溶性淀粉。这种情况下，本发明的方法还可以包括：

提供黄色激光器，用于产生线性黄色激光束；

提供集成设置有光敏传感器的计时器，其中光敏传感器用于启动及终止计时器；

将反应器布置在黄色激光器与计时器之间，使得黄色激光器所产生的线性黄色激光束能够穿过反应器到达计时器的光敏传感器；

将通过漏斗加入第二反应试剂与黄色激光器的启动自动关联；

当光敏传感器检测到线性黄色激光束时，自动启动计时器；以及

当光敏传感器检测不到线性黄色激光束时，自动终止(或中止)计时器并使计时器给出相应时间读数。

本发明的实验方法还通过浓度递减方式，在无需更换实验装置的情况下进一步降低了测量误差。

附图说明

图1是根据本发明的教学实验装置的反应***的结构示意图；

图2和图3分别是根据本发明的教学实验装置的计时***的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的教学实验装置主要包括恒温水浴反应器、恒温水浴漏斗、激光器和计时器。

恒温水浴反应器具有反应器本体4和位于反应器本体外侧的反应器夹套7；反应器由无色透明玻璃一体成型。恒温循环水从夹套反应器7下部设置的进水口6进入并从夹套反应器的夹套上部设置的出水口3排出，形成恒温循环水。

恒温水浴漏斗具有漏斗本体1和位于其外侧的漏斗夹套13；漏斗也可以由玻璃一体成型。恒温水通过漏斗夹套13下部设置的进水口11进入并从上部设置的出水口10排出，形成恒温循环水。漏斗本体1底部设置有带开关(采用旋塞形式)12的漏斗长管2，漏斗长管2通入反应器本体4。

反应器本体4为圆筒状，但底部设计成外凸(图示向下)球面状，球面状底部的中央位置具有排液管。排液管上设置有旋塞形式的开关5。通过打开开关5，可以将反应器本体4中容纳的反应溶液从排液管通过重力向下排出。反应器本体4的底部至开关5的这段排液管的距离尽量要短例如小于2cm，排液管的直径(内径)尽量要小例如不大于6mm，以使这段排液管内留置的反应溶液的量要尽可能少，从而尽量弱化反应器本体内反应溶液被搅拌时整体混合不均匀问题。

在反应器本体4中加反应溶液A(例如KIO₃溶液)和指示剂(例如可溶性淀粉)，在漏斗本体1中加反应物溶液B，同时通入恒温水循环控制反应溶液在指定温度。反应器本体4中还可以***温度计8和搅拌器9，在温度达到指定范围时接通搅拌器9，使两个反应溶液充分接触均匀来发生反应。图示搅拌器9为电动搅拌器且搅拌轴底部安装有刚性搅拌桨。

为了方便加注反应溶液，漏斗长管2设计成Z形弯曲形状从而可以避免漏斗所占空间干扰其它部件例如搅拌器9。

温度计8方便用于控制反应溶液温度以及恒温循环水温度。

图1所示的反应器的盖板设置成多孔盖板，以使漏斗长管2、温度计8和搅拌器9从各自的孔***反应器本体4并使其彼此之间保持一定间隔，从而增强实验装置的可靠性。

如图2和3所示，黄色激光器布置在反应器一侧，用于产生线性黄色激光束。其具有触发装置(图示为按钮形式)，该触发装置与漏斗长管2上的开关12联动(例如将触发按钮设置在开关旋钮下方，通过开关旋钮的旋转而触碰触发按钮)，在旋转打开开关12的同时能够触发该触发装置从而启动黄色激光器发出黄色激光束。

计时器布置在反应器另一相对侧，集成设置有光敏传感器和控制器(未具体示出，可以采用控制芯片)。光敏传感器用于检测由黄色激光器发出并经过反应器的黄色激光束，当光敏传感器检测到黄色激光束时(反应器中的溶液未变色)，控制器启动计时器开始并持续计时，当光敏传感器检测不到黄色激光束时(反应器中的溶液在淀粉指示剂的帮助下变为蓝色从而吸收黄光)，控制器立即停止计时器计时并输出相应读数。本发明采用与蓝色溶液互补的黄色激光，使得检测灵敏可靠。

图2和图3分别示意了检测计时的开始与终止过程。

第一次实验结束(测得反应时间t1)后，打开排液管上的开关5，将液体排出。然后关闭开关5并向反应器本体中加入另外一种指定体积的反应溶液，漏斗也同样重复上述操作加液，进行第二次实验求得反应时间t2。更换加液重新反应时，溶液反应物浓度高于前次反应物浓度(避免多次洗涤反应器与漏斗，因为低浓度溶液对高浓度溶液的影响可以忽略)。

接下来，还可以通过分析一定时间范围内反应物消耗的浓度来计算化学反应平均速率，根据化学计量方程写出化学速率方程的表示式，两边取对数，固定其中一个反应物的浓度，根据反应速率的对数与另外一个反应物浓度的对数的关系式，求得该反应物反应级数，同理求得另一个反应物的反应级数，将求得的两个反应级数代入速率方程，从而求得该反应的速率常数；通过分析温度的倒数与反应速率常数的对数的关系曲线，获取不同温度条件下反应的活化能。

Claims (2)

1.一种用于测定双反应试剂体系的反应活化能的方法，包括：

提供恒温水浴反应器，由无色透明玻璃一体形成，包括反应器本体和位于反应器本体外部的反应器夹套，其中反应器夹套下部设置有进水口且上部设置有出水口，反应器本体底部设置有带开关的排液管；

提供恒温水浴漏斗并将其安装在反应器之上，其中恒温水浴漏斗包括漏斗本体和位于漏斗本体外部的漏斗夹套，其中漏斗夹套下部设置有进水口且上部设置有出水口，漏斗本体底部设置有带开关的漏斗长管，漏斗长管通入反应器本体；

提供布置在反应器一侧的黄色激光器，用于产生线性黄色激光束，具有触发装置，该触发装置与漏斗长管上的开关联动，使得漏斗长管上的开关打开时触发该触发装置从而启动黄色激光器发出黄色激光束；

提供布置在反应器另一相对侧的计时器，计时器集成设置有光敏传感器和控制器，光敏传感器用于检测由黄色激光器发出并经过反应器的黄色激光束，当光敏传感器检测到黄色激光束时，控制器启动计时器开始并持续计时，当光敏传感器检测不到黄色激光束时，控制器停止计时器计时并输出相应读数，

a)先将第一次反应的第一反应试剂KIO₃溶液以及反应指示剂可溶性淀粉加入反应器中；

b)等反应器中的第一反应试剂达到预定温度之后，再通过漏斗将第一次反应的第二反应试剂Na₂SO₃溶液加入反应器中，同时进行搅拌，直至反应指示剂呈现变色指示；

c)从将第二反应试剂加入至反应器中开始，到反应指示剂呈现变色指示为止，即当光敏传感器检测不到黄色激光束时，通过计时器测得第一次反应的反应时间；

d)打开排液管，将第一次反应的反应溶液排出；

重复步骤a)至d)，执行第二次反应；

再重复步骤a)至d)，直至执行第N次反应，其中N为大于或等于3的自然数，

其中第N次反应的第一反应试剂的浓度大于第(N-1)次反应的第一反应试剂的浓度；第N次反应的第二反应试剂的浓度大于第(N-1)次反应的第二反应试剂的浓度，

根据测得的N次反应的反应时间(t1、t2、……tN)，以及第二反应试剂Na₂SO₃溶液浓度的相应变化，求得反应速率(v1，v2，v3......vN)以及反应级数并据此得出反应速率常数；

改变温度T重复以上步骤得出相应的反应速率常数k值，以lgk为纵坐标，1/T为横坐标作图，根据所得直线的斜率求出不同反应温度下的活化能Ea。

2.根据权利要求1的方法，其中漏斗长管上的开关对触发装置的触发采用物理接触形式。

Images