中学化学实验创新：突破传统实验瓶颈

本实验采用的是Na2S2O3 与H2SO4 的反应。传统实验是至少两组进行对比，设置反应物浓度的差异，观察反应体系的浑浊程度，至看不清试管对面的字符时记录此时的时间，由此得出结论：反应物浓度越大，反应速率越大。再由此推理出由于一开始反应物的浓度最大，所以经典的“速率-时间”图中，刚开始的化学反应速率就应该是最大的。但如果仅靠观察，难以确定刚开始的反应速率是最大的。

这种实践与理论间的差异是什么原因造成的呢？分析下来，问题在于反应物间的混合效果是不理想的。于是，我们查阅了相关的文献。

图2　浓度变化对反应速率的影响

图2 为某文献记录的实验结果，实验①②③探究Na2S2O3 的浓度变化对反应速率的影响，实验③④⑤探究H2SO4 的浓度变化对反应速率的影响。［1］

有些作者用色度计来测吸光度与时间的变化关系，从曲线的斜率能看出反应速率的变化趋势，但实验结果显示，曲线刚开始的斜率并不是最大的。

图3　不同浓度H2SO4与Na2S2O3反应吸光度随时间变化曲线

这刚好与学生的直觉相吻合了！文献中说明的实验操作是“在比色皿中混合，放入色度计内并记录数据”［2］，对两种溶液的混合操作并没有作特别说明。

图4　不同浓度H2SO4与Na2S2O3反应混浊度随时间变化曲线(www.xing528.com)

另一文献详细说明了操作过程：用量筒分别取0.05 mol·L-1 Na2S2O3 溶液8 mL 与0.05 mol·L-1 H2SO4 8 mL，倒入比色瓶中，然后迅速旋紧比色瓶盖，上下颠倒振荡约6 s 后，放入浊度传感器的比色槽，合上盖，约8 s 后浑浊度数值平稳，点击“采集”按钮，得到浑浊度变化曲线，再用量筒分别取0.05 mol·L-1 Na2S2O3溶液8 mL 与0.1 mol·L-1 H2SO4 8 mL，倒入比色瓶中，重复之前的操作，得到浑浊度变化曲线。曲线如图5 所示。［4］

图5　浑浊度曲线

由于难以保证反应物充分混合，造成开始阶段的曲线斜率并不是最大值。

由于比色皿的空间狭小，不利于搅拌，我们采用了一种双联混料管（如图7），相当于是两个针筒并列，但在出口处合用一个尖嘴（如图8），在6 cm 长的空间内进行15 次互逆螺旋式混料，使反应液充分混合，对经典的化学反应“速率-时间”图的构建在操作上给予保证。实践中发现即使使用了双联混料管，只有Na2S2O3 溶液浓度大于0.18 mol·L-1 的情况下，曲线的斜率才在一开始达到最大值。这可能与反应的机理有关［5］：

Na2S2O3 与H2SO4 反应可能分为两步进行：

其中反应①速率大，而反应②速率较小，为决速步。