浓度依赖性

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 浓度依赖性展开

   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

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   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

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   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

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   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。

   • 首先，穿上实验服，戴上防溅护目镜和腈手套。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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”。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 取下封口膜，将溶液倒入试管中。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 同时启动秒表并将3 M HCl倒入试管中。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
2. 结果展开
   • 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

     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

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   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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。
   • 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

     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

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   • 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。
   • 最后，将各反应物的反应级数相加，得到总反应级数。