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

2023-12-08 05:24:50 文档大全网 [ 字体：小中大 ] [ 阅读： ]

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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。