浓度依赖性
来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym
- 浓度依赖性
在本实验中，您将混合不同浓度的盐酸（HCl）水溶液和硫代硫酸钠，生成固态硫，当硫达到一定浓度时，会迅速聚集形成不透明的黄色颗粒。由于反应溶液初始为无色透明，因此可以很容易地判断其何时达到该浓度。
每次实验均使用相同的试管和总体积，因此使各溶液完全不透明所需的硫量相同。因此，您可以通过记录溶液变不透明所需的时间来测量反应进程。然后，利用这些数据估算各反应物的反应级数以及总反应级数。
在开始实验前，制作一个表格，列出各次实验中反应物的浓度、溶液变不透明所需的时间以及溶液温度。
表1：反应进程
实验编号 [Na2S2O3] (M) [HCl] (M) 时间 (s) 温度 (°C) 1 0.1 M 3.0 M 2 0.1 M 3.0 M 3 0.2 M 3.0 M 4 0.15 M 3.0 M 5 0.05 M 3.0 M 6 0.1 M 6.0 M 7 0.1 M 4.5 M 8 0.1 M 1.5 M 我们需确保所有反应均在室温下进行。您将进行两次基准实验，三次不同硫代硫酸钠浓度的实验，以及三次不同盐酸浓度的实验。您将通过稀释硫代硫酸钠和盐酸的储备液来调节浓度，具体稀释方法见下表。
表2：硫代硫酸钠稀释方案
目标浓度 0.2 M 硫代硫酸钠体积 去离子水体积 0.05 M 5 mL 15 mL 0.10 M 10 mL 10 mL 0.15 M 15 mL 5 mL 0.20 M 20 mL 0 mL 表3：盐酸稀释方案
目标浓度 6.0 M HCl 体积 去离子水体积 1.5 M 2.5 mL 7.5 mL 3.0 M 5.0 mL 5.0 mL 4.5 M 7.5 mL 2.5 mL 6.0 M 10 mL 0 mL 操作盐酸时需格外小心，因其具有毒性和强腐蚀性。该反应的气态产物二氧化硫也具有毒性。您需将反应废液留在通风橱中过夜，使二氧化硫安全逸出。
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首先，穿上实验服，戴上防溅护目镜和腈手套。
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用去离子水装满一个塑料洗瓶，并取一支标有“X”记号的试管。
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将试管用夹子固定在小型磁力搅拌器中心上方，标签应朝向远离您的方向。确保您能清晰看到“X”标记。将一根小型磁力搅拌子放入试管中。
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使用温度计夹将玻璃温度计固定在试管下三分之一处，确保其远离“X”标记和搅拌子。
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从卷筒上剪下约20片塑料封口膜小方片，并带回您的通风橱。
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在通风橱内铺上纸巾，作为可重复使用的实验器具的清洁放置面。
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将一个600 mL烧杯标记为“反应废液”，一个100 mL烧杯标记为“0.2 M 硫代硫酸钠”，一个50 mL烧杯标记为“6 M HCl”。
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从配液通风橱的储备瓶中，将0.2 M 硫代硫酸钠倒入100 mL烧杯中。
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随后，携带50 mL烧杯和表面皿至酸液配液通风橱，取50 mL 6 M HCl。用表面皿盖住装满的烧杯，并将盐酸带回您的通风橱。
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为第一次基准实验准备20 mL 0.1 M 硫代硫酸钠。使用10 mL 移液管量取10 mL 0.2 M 硫代硫酸钠，转移至20 mL 容量瓶中。用去离子水定容至刻度线。
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然后，剪一块塑料封口膜，密封容量瓶，并反复倒置数次，充分混匀溶液。
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取下封口膜，将溶液倒入试管中。
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准备10 mL 3 M HCl。用移液管吸取5 mL 6 M HCl，加入10 mL 量筒中。再加入去离子水至10 mL 刻度线。
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用塑料封口膜密封量筒口，反复倒置数次，充分混匀盐酸溶液。
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现在，启动搅拌电机，并准备好归零的秒表。确认您能透过试管中的溶液清晰看到“X”标记。
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同时启动秒表并将3 M HCl倒入试管中。
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透过溶液观察“X”标记，当生成的硫足以使溶液饱和时，溶液将开始变浑浊。当溶液变得完全不透明、“X”标记消失时，立即停止秒表。
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在实验记录本中记录第一次基准实验的时间，并将秒表归零。同时记录溶液的温度。
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关闭搅拌电机，取下温度计，并用去离子水冲洗至废液烧杯中。
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将试管中的溶液倒入废液烧杯，用长镊子取出搅拌子，并用去离子水冲洗试管和搅拌子。
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用试管刷彻底清洗试管。同时用去离子水短暂冲洗容量瓶和量筒。用纸巾将所有器具擦干。
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以完全相同的方式重复实验，进行第二次基准实验。若两次时间相差超过3–5秒，则重复实验，直至获得两次一致的结果。
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后续每次实验均采用相同总体流程，根据表格调整稀释比例，并在每次实验之间清洗玻璃器皿。在第四和第五次实验中测量硫代硫酸钠储备液时，按需使用5 mL 移液管。
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完成全部八次实验后，最后一次冲洗玻璃器皿和工具，并用小苏打中和反应废液。需格外小心，因为二氧化硫是该反应的产物之一。
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将中和后的反应废液转移至指定的废液容器中。然后，将剩余的硫代硫酸钠溶液倒入其对应的废液容器，并用去离子水冲洗烧杯。
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在将剩余盐酸排入下水道前，先用小苏打中和，并用自来水冲洗。
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最后，按照标准操作规程清洗并收纳实验器具，并清理通风橱内剩余垃圾。反应废液将由指导教师后续处理。
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- 结果
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现在，估算硫代硫酸钠和盐酸的反应级数。计算实验1至5中反应混合物内硫代硫酸钠的初始浓度。观察硫代硫酸钠浓度与反应时间的关系，可见当浓度加倍时，变不透明所需时间减半。
表4：估算硫代硫酸钠的反应级数
点击此处下载表4实验编号 加入的[Na2S2O3] Na2S2O3 体积 (mL) 总体积 (mL) 混合物中[Na2S2O3] 时间 (s) 时间倒数 (s-1) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
请注意，每次实验使用的总体积相同，因此使各溶液变不透明所需的硫量相同。因此，当硫代硫酸钠浓度加倍时，反应速率也加倍。
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当浓度增加4倍时，反应速率也增加4倍。这种一对一的关系表明，该反应对硫代硫酸钠为一级反应。若如此，则反应速率与硫代硫酸钠浓度的关系图应呈线性。
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我们并未直接测量使溶液变不透明所需的硫量，但假设其在各次实验中相同。因此，可用时间倒数作为反应速率的替代指标。虽然斜率不等于速率常数k，但对本实验而言已足够。
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以硫代硫酸钠浓度为横坐标，反应时间倒数为纵坐标作图。该图证实了硫生成速率与硫代硫酸钠浓度之间的线性关系。因此，该反应对硫代硫酸钠表现为一级反应。
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采用相同方法估算盐酸的反应级数。首先，计算基准实验及实验6至8中盐酸在反应混合物中的初始浓度。
表5：估算盐酸的反应级数
点击此处下载表5实验编号 加入的[HCl] HCl 体积 (mL) 总体积 (mL) 混合物中[HCl] 时间 (s) 1, 2 0.1 3 0.2 4 0.15 5 0.05 -
然后，观察这些实验中盐酸浓度与反应时间的关系。反应时间几乎相同，表明盐酸浓度对反应速率无影响。这意味着该反应对盐酸为零级反应。
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最后，将各反应物的反应级数相加，得到总反应级数。
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Q1: How do you prepare diluted solutions of sodium thiosulfate for the concentration dependence experiment?
Use a volumetric pipette to measure the required volume of 0.2 M sodium thiosulfate stock solution and dispense it into a volumetric flask. Fill the flask with deionized water to the mark, seal with plastic paraffin film, and invert several times to thoroughly mix. This dilution procedure ensures accurate target concentrations ranging from 0.05 M to 0.2 M for each trial.
Q2: Why is measuring the time to solution opacity used to track reaction progress?
The reaction produces solid sulfur that creates visible cloudiness in the initially clear, colorless solution. Since each trial uses the same test tube and total volume, it takes the same amount of sulfur to make the solution completely opaque. By timing when the X mark disappears, you measure how fast sulfur is produced, which directly reflects the reaction rate.
Q3: What does the relationship between sodium thiosulfate concentration and reaction time reveal about reaction order?
When sodium thiosulfate concentration doubles, the time to opacity is halved, indicating the reaction rate doubles proportionally. When concentration increases by a factor of four, the reaction rate also increases by a factor of four. This one-to-one relationship demonstrates that the reaction is first order with respect to sodium thiosulfate.
Q4: How does HCl concentration affect the rate of the sulfur precipitation reaction?
Reaction times remain nearly identical across trials with different HCl concentrations, from 1.5 M to 6.0 M. This lack of variation indicates that HCl concentration has no effect on the reaction rate, meaning the reaction is zeroth order with respect to HCl. The rate depends only on sodium thiosulfate concentration.
Q5: What precautions are necessary when handling the reactants and products in this experiment?
HCl is toxic and highly corrosive, requiring a lab coat, splash-proof safety glasses, and nitrile gloves. Sulfur dioxide, a gaseous product, is also toxic and must be allowed to escape harmlessly by leaving reaction waste in the fume hood overnight. Always work in a fume hood and neutralize waste with baking soda before disposal.
Q6: Why are benchmark trials performed before varying reactant concentrations?
Benchmark trials ensure that reactions occur at consistent room temperature and establish reproducible baseline measurements. Two benchmark trials must be within 3-5 seconds of each other to confirm experimental reliability. This consistency validates that subsequent variations in concentration, not temperature fluctuations, cause observed changes in reaction time.
Q7: How do you calculate the overall reaction order from individual reactant orders?
Add the reaction orders of all reactants to determine the overall reaction order. Since sodium thiosulfate is first order and HCl is zeroth order, the overall reaction order is one. This sum represents the total dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.