秒表反應是在高中階段 最具代表性的化學實驗之一 因為它可以同時觀察濃度與溫度對反應速率的影響 它的呈色明顯並且過程幾乎是瞬間就完成 因此在時間判定上的誤差也可以降到最低 在高中階段 我們只需要學習紀錄反應的時間並觀察趨勢 將所得出的時間與反應濃度或溫度作圖 探討其相關性 秒表反應 是藉由顏色的變化來測定時間 在這個實驗所需的藥品有A與B兩種溶液 A溶液為單一成分 是做為氧化劑的碘酸鉀 濃度為0.02M B溶液為混合成分 包括做為還原劑的亞硫酸氫鈉 也含有稀硫酸及澱粉 其中亞硫酸氫鈉的濃度為0.02M 稀硫酸提供酸性反應環境 澱粉指示劑是檢驗碘分子的存在 實驗設計中亞硫酸氫鈉是限量試劑 因此反應速率可表達如畫面中的式子 原理如畫面中所示 共有三個步驟 步驟一反應很慢 二、三則很快 當步驟一中反應之亞硫酸氫根 也就是限量試劑用完時 過剩的碘酸根才能進行二、三的反應 由於步驟二、三的反應都很快 因此出現藍黑色的時間 即為步驟一的反應時間 可表示為亞硫酸氫根反應耗盡的時間 最後我們可測得步驟一之反應速率如畫面所示 在這邊也提醒一下同學 澱粉可與三碘陰離子生成藍黑色錯合物 因此以澱粉為指示劑 藍黑色出現時 代表亞硫酸氫根消耗完畢 而三碘陰離子的濃度僅需十的負六次方即可呈色 所以變色時間大約等於消耗完的時間 本實驗如何測量反應速率？ 又是如何設計反應物的化學計量比例呢？ 首先 當步驟一反應完成 溶液出現藍黑色時 測量所需時間 再來 能夠出現藍黑色的條件是以亞硫酸氫根為限量試劑 由式中可看出 碘酸根與亞硫酸氫根的係數比為1比3 因此溶液A、B混合後 兩者的初濃度應有碘酸根大於三分之一亞硫酸氫根的關係 即亞硫酸氫根須限量 實驗結果才可能出現藍黑色 接下來這個實驗 是要改變碘酸鉀 即溶液A的濃度 因此兩回實驗所取的量會不同 第一回實驗我們取A溶液4毫升加蒸餾水6毫升 A溶液總體積變為10毫升 取B溶液5毫升加蒸餾水5毫升 B溶液總體積變為10毫升 將A、B溶液倒入燒杯後立即按碼表 並搖晃一下之後就靜置 等待藍黑色一出現則馬上停止計時 A、B倒入燒杯並混合均勻這瞬間 燒杯中溶液總體積成為20毫升 其中碘酸根與亞硫酸氫根的初濃度分別為0.004M與0.005M 停止計時之後 測得反應時間為Delta t 便能計算出反應物亞硫酸氫根的消耗速率 第二回實驗 我們取A溶液6毫升加蒸餾水4毫升 A溶液總體積變為10毫升 取B溶液5毫升加蒸餾水5毫升 B溶液總體積變為10毫升 同樣將A、B溶液倒入燒杯後搖晃 並按下碼表 等待藍黑色一出現則馬上停止計時 A、B倒入燒杯並混合均勻這瞬間 碘酸根與亞硫酸氫根的初濃度分別為0.006M與0.005M 測得反應時間為Delta t後 接著計算出反應物的消耗速率 若我們把實驗結果記錄下來 並延伸探討 我們在第一部分 總共需做四組實驗 我們可以發現在這實驗中 從編號A0到A4的組合 可清楚看到每次混合後溶液總體積皆為20毫升 而且還原劑亞硫酸氫根初濃度維持固定 此設計就可探討氧化劑碘酸根初濃度對反應速率的影響 也就是出現藍黑色的時間長短 實驗結束後 接下來就進入數據分析了 我們需要做兩張圖 一個是反應時間與碘酸鉀溶液濃度的關係圖 另一個是反應時間的倒數與碘酸鉀溶液濃度的關係圖 此表為預做實驗的結果 將所得秒數27.70、15.85、10.97、9.22帶入相對的實驗組別 同時換算成時間的倒數 反應速率的相對值 接著利用試算表軟體作圖 得到反應時間與碘酸鉀濃度的關係圖 從圖可知 反應物碘酸鉀增加 反應所需時間減少 此外 也嘗試將反應時間變成倒數 即得到速率R與碘酸鉀濃度的關係圖 從通過原點的直線關係 可以推得反應速率與碘酸鉀濃度成正比 速率定律式如畫面中表示 第二部分要探討的是溫度對反應速率的影響 以分度吸量管及安全吸球分別吸取溶液至試管中 一支試管有A溶液5毫升加蒸餾水5毫升 A溶液總體積變為10毫升 另一支試管有B溶液5毫升加蒸餾水5毫升 B溶液總體積變為10毫升 將此兩試管及一個100毫升空的乾淨燒杯置於盛水的500毫升燒杯或恆溫槽中 靜置數分鐘 使兩試管及100毫升燒杯的溫度與水溫相同 並記錄溫度 再來 將A、B兩溶液同時倒入水浴中的燒杯 立即按下碼表計時 觀察並記錄溶液瞬間變藍黑色所經過的時間 兩溶液混合時碘酸根與亞硫酸氫根的初濃度皆為0.005M 以同樣的方式操作 接著改變水浴溫度 例如15度C、20度C、25度C、30度C、35度C 並測定各反應所需的時間 將每個不同溫度下所測得秒數紀錄於表格中 同時將秒數取倒數 則相當於速度的概念 因此呈現兩張圖如畫面 一張是以秒數為縱軸、溫度為橫軸作圖 可得溫度越高 反應時間越短的趨勢 另外一張是以秒數分之一為縱軸、溫度為橫軸作圖 可得溫度越高 反應速率越快的趨勢 溶液甲為0.02M的碘酸鉀配成100毫升溶液 溶液乙為0.01M的焦亞硫酸鈉、 少量澱粉及稀硫酸配成100毫升溶液 使溶液甲與溶液乙反應以測定反應速率的實驗中 下列相關敘述哪些正確？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 秒表反應能同時觀察濃度與溫度對反應速率的影響 反應速率為測量溶液出現藍黑色所需的時間 化學計量的比例上 兩溶液的初濃度碘酸根必須大於亞硫酸氫根的三分之一 溶液才能呈現藍黑色 反應速率與碘酸鉀濃度成正比 溫度越高 反應速率也越快 同學們 經過這一單元的學習 你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的心得 我們下次見