浓度对草酸与酸性高锰酸钾溶液褪色反应速率的影响研究 摘要 通过比较同体积、不同浓度的草酸溶液与同体积、同浓度的酸性高锰 酸钾溶液反应时溶液褪色时间的不同,使学生体会反应物浓度对反应速率的影 响。为适应课堂教学,研究了各种反应物浓度对该反应速率的影响,为一线教师 配置适合课堂教学的各种反应物的浓度提供了较为准确的数据。 关键词 草酸 酸性高锰酸钾溶液 课堂教学 最佳浓度 为了让学生感受反应物浓度、催化剂等因素对反应速率产生的影响,人教 版高中化学选修 4《化学反应原理》第 20 页引入了一个特殊的实验[1] :取两 支试管,各加入 4 mL 0.01 mol/L 的 KMnO4 酸性溶液,然后向一支试管中加入 0.1 mol/L 的 H2C2O4(草酸)溶液 2 mL,记录溶液褪色所需的时间;向另一支 试管中加入 0.2 mol/L 的 H2C2O4 (草酸)溶液 2 mL,记录溶液褪色所需的时间, 通过比较反应时间来归纳反应速率。 实验中发生的反应为: 2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4=K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O 实验现象为: 草酸溶液加入到酸性高锰酸钾溶液中后一段时间内没有明显变 化,一段时间后迅速褪色,加入 0.2 mol/L 的 H2C2O4(草酸)溶液的试管褪色 需要的时间较加入 0.1 mol/L 的 H2C2O4(草酸)溶液的试管褪色需要的时间短。 为了适合课堂教学,此实验的最佳实验现象应为: (1)两种不同浓度的草酸 溶液与同体积、同浓度的酸性高锰酸钾溶液反应褪色时间差明显; (2)褪色时间 约为 1~2 min,适合课堂操作;(3)明显观察到混合后一段时间内不褪色。 本实验研究了各种反应物浓度对反应速率的影响, 确定了最适合课堂操作的 各种反应物浓度。 1 实验过程 第 1 组:固定草酸和硫酸溶液的浓度和体积: c (H2C2O4)=0.2 mol/L、V (H2C2O4)=2 mL、c (H2SO4)=0.12 mol/L、V (KMnO4)=4 mL,改变高锰酸钾溶液 的浓度,使高锰酸钾溶液的浓度依次为 0.0025、0.005、0.01、0.02、0.03、0.04、 0.05 mol/L。观察反应现象、记录褪色消耗时间,以确定高锰酸钾溶液浓度对褪 色时间的影响。 第 2 组:固定高锰酸钾溶液和硫酸溶液的浓度和体积为:c (KMnO4)=0.01 mol/L、V (KMnO4)=4 mL、c (H2SO4)=0.12 mol/L,改变草酸溶液的浓度,使草 酸溶液的浓度依次为 0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9、1 mol/L。观察反应现 象、记录褪色消耗时间,以确定草酸溶液浓度对褪色时间的影响。 第 3 组:固定草酸和高锰酸钾溶液的浓度和体积为:c (H2C2O4)=0.2 mol/L、 V (H2C2O4)=2 mL、c (KMnO4)=0.01 mol/L、V (KMnO4)=4 mL,配置酸性高锰 酸钾溶液时改变硫酸的浓度, 使 4 mL 高锰酸钾溶液中硫酸的浓度依次为 0、 0.03、 0.06、0.09、0.12、0.15、0.18 mol/L。观察反应现象、记录褪色消耗时间,以确 定硫酸浓度对褪色时间的影响。 2 实验结果 2.1 高锰酸钾溶液的浓度对褪色时间的影响 按组 1 配置进行实验,结果如表 1 所示: 将表 1 中数据以高锰酸钾溶液浓度为横坐标、溶液褪色时间为纵坐标作图。 结果如图 1 所示,由图可以看出,高锰酸钾溶液浓度小于 0.01 mol/L 时,浓度越 大,褪色时间越短,而浓度高于 0.02 mol/L 时,浓度越大,褪色时间越长。因为 浓度增大后溶液中高锰酸钾物质的量增多,完全反应所需时间增长。 2.2 草酸溶液的浓度对褪色时间的影响图 1 高锰酸钾溶液浓度对褪色时间 的影响 将表 2 中数据以草酸溶液浓度为横坐标、 高锰酸钾溶液褪色时间为纵坐标作 图。结果如图 2 所示,由图可以看出,草酸小于 0.7 mol/L 时,草酸浓度越大, 高锰酸钾溶液褪色时间越短;而草酸浓度大于 0.7 mol/L 时,草酸的浓度增大, 高锰酸钾溶液褪色时间越长。 王春老师认为该反应: 草酸浓度较小时, 以 KMnO4 的自身分解为主, 当草酸浓度较大时,因发生络和的速率和进度均较大而再分解 的速率成了反应的瓶颈[2] 。同时草酸浓度的增大不利于生成产物——硫酸钾、 硫酸锰和二氧化碳气体的扩散,也会使反应速率减慢[3,4] 。因此,草酸浓度 增大到一定程度后,反应速率反而变慢。 2.3 酸性高锰酸钾溶液中的硫酸的浓度对褪色时间的影响 按组 3 配置进行实验,结果如表 3 所示: 将表 3 中数据(除最后一行数据外)以硫酸浓度为横坐标、高锰酸钾溶液褪 色时间为纵坐标作图。 结果如图 3 所示, 由图 3 可以看出, 当硫酸浓度从 0.05 mol/L 增大为 2.0 mol/L 时,随着硫酸浓度增大,褪色时间迅速缩短,溶液褪色时间由 16′30″缩短到 0′40″。 保持硫酸的浓度为 2.0 mol/L 不变, 将草酸的浓度由 0.2 mol/L 改为 0.1 mol/L(最后 1 行数据)时,溶液的褪色时间为 0′50″,两份溶液的褪色 时间均很短, 区别较小, 在课堂教学中学生不容易迅速判断两份溶液中所有的反 应现象,所以硫酸浓度应不超过 2.0 mol/L。 综上所述, 欲配置适合在课堂操作的草酸与硫酸酸化的高锰酸钾溶液,草酸 浓度应小于 0.7 mol/L,高锰酸钾溶液的浓度约为 0.01 mol/L,适当调节硫酸的浓 度介于 0.5~2.0 mol/L 之间(约为 4 mL 高锰酸钾溶液中加入 3~10 滴 98%的浓 硫酸) ,均可以达到良好的实验效果。 参 考 文 献 [1] 宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书:化学反应原理 (选修 4). 北京:人民教育出版社,2007:20 [2] 王春.