謝惠春

（廣州市協(xié)和中學(xué)，廣東廣州510000）

草酸溶液和高錳酸鉀溶液的反應(yīng)是人教版化學(xué)選修四教材中證明濃度對(duì)反應(yīng)速率影響的重要實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，但是準(zhǔn)備時(shí)卻存在不少問(wèn)題。除了經(jīng)常遇到濃度較小的草酸溶液先褪色的異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以外，還存在以下問(wèn)題。為了方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)老師準(zhǔn)備本實(shí)驗(yàn)中所需高錳酸鉀酸性溶液時(shí)，一般都是提前酸化好的。由于酸化后的高錳酸鉀氧化性增強(qiáng)，非常容易變質(zhì)，大約1d 左右就由原來(lái)的紫紅色變成了橙紅色，2～3d 左右?guī)缀跬耆噬?，試劑瓶底部還有大量黑色的物質(zhì)產(chǎn)生，使后續(xù)分組實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。而沒(méi)有酸化的高錳酸鉀溶液，避光保存卻能放置長(zhǎng)達(dá)半年?？煞裨跍?zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)把高錳酸鉀和硫酸分開(kāi)準(zhǔn)備，課堂上學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)自己酸化？硫酸適宜的濃度是多少？是否還有其他的替代試劑更適合作為探究濃度影響反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)？筆者對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)原理

KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應(yīng)基于原理：

圖1

經(jīng)查閱資料[1]，與C2O42-反應(yīng)是在Mn2+存在的情形下，（Mn2+是這個(gè)反應(yīng)的催化劑），反應(yīng)過(guò)程為：

在酸性較大的KMnO4溶液中加入草酸溶液，草酸的濃度較小時(shí)，以KMnO4的自身分解為主，當(dāng)草酸濃度較大時(shí)，因發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的速率和進(jìn)度均較大而再分解的速率成了反應(yīng)的瓶頸。因此在酸性較大的KMnO4溶液中加入草酸后，草酸溶液濃度小的反而先褪色。[2]

2 實(shí)驗(yàn)探究和改進(jìn)

王春[2]建議改變?cè)噭┑募尤腠樞?，將少量高錳酸鉀加入到量多的草酸中；謝曉青等[1]通過(guò)正交試驗(yàn)研究，表明硫酸濃度對(duì)反應(yīng)速率影響的主效應(yīng)顯著。孫運(yùn)體[3]探究了濃硫酸酸化比例對(duì)反應(yīng)速率的影響。筆者按照文獻(xiàn)嘗試了先用濃硫酸酸化高錳酸鉀溶液，但加入濃硫酸后放熱明顯，需要冷卻后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。出于實(shí)驗(yàn)安全和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的考慮，不建議課堂學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)采用濃硫酸進(jìn)行酸化。若硫酸的酸性太弱，反應(yīng)時(shí)間又過(guò)長(zhǎng)，不利于課堂分組實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。為避免出現(xiàn)異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及解決反應(yīng)速率慢的問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)硫酸的濃度以及替代試劑的可行性進(jìn)行了探究。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[4]，本實(shí)驗(yàn)采用3 mol/L，4 mol/L 的硫酸進(jìn)行酸化探究。

2.1 探究硫酸濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響

實(shí)驗(yàn)1 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)1 （硫酸濃度：3mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.7.10）

實(shí)驗(yàn)2 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 可以得出：同等條件下，酸化高錳酸鉀的硫酸濃度越大，反應(yīng)速率越快，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。為了探究0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應(yīng)的穩(wěn)定性探究，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4 見(jiàn)表3，4。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)1，3 和實(shí)驗(yàn)2，4 可以得出，硫酸的酸化濃度為3 mol/L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，出現(xiàn)了反?，F(xiàn)象，濃度小的草酸溶液褪色快。而硫酸的酸化濃度為4 mol/L 時(shí)，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性較好，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。

表2 實(shí)驗(yàn)2（硫酸濃度：4mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.7.11）

表3 實(shí)驗(yàn)3（硫酸濃度：3mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.7.12）

表4 實(shí)驗(yàn)4（硫酸濃度：4mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.7.12）

2.2 草酸的替代試劑（維生素C、葡萄糖）與KMnO4 酸性溶液的反應(yīng)

草酸和維生素C 均為常見(jiàn)的還原性有機(jī)物，可以嘗試將它們用于替代草酸溶液與高錳酸鉀酸性溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀酸性溶液與維生素C 反應(yīng)速率過(guò)快，不適合作為探究反應(yīng)速率的物質(zhì)。

表5 實(shí)驗(yàn)5（硫酸濃度：4mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間2018.7.13）

表6 實(shí)驗(yàn)6（硫酸濃度：4 mol/L，實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2018.7.17）

王春[2]曾經(jīng)報(bào)道過(guò)可以用葡萄糖作為替代試劑與高錳酸鉀酸性溶液反應(yīng)，為得到更加符合學(xué)生分組的實(shí)驗(yàn)，特進(jìn)行了有關(guān)探究，見(jiàn)表5，6。

0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液反與不同濃度的葡萄糖溶液的反應(yīng)

從實(shí)驗(yàn)5 得出，不同濃度的葡萄糖溶液分別與KMnO4酸性溶液進(jìn)行反應(yīng)，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律。該過(guò)程顏色變化明顯，且褪色時(shí)間相差較大，便于觀察，實(shí)驗(yàn)效果好。為了探究實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性，特進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)6。

表6 實(shí)驗(yàn)6，0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應(yīng)的穩(wěn)定性探究。

從實(shí)驗(yàn)6 得出：KMnO4酸性溶液與不同濃度葡萄糖溶液反應(yīng)穩(wěn)定性好，符合濃度越大，反應(yīng)速率越快的規(guī)律，適合用于濃度對(duì)反應(yīng)速率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究中。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：1）KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法為：取2 支試管，各加入4 mL 0.01 mol/L 的KMnO4溶液和1mL 4 mol/L 的硫酸，同時(shí)分別加入2 mL 0.1 mol/L H2C2O4溶液和0.2 mol/L H2C2O4溶液，比較褪色時(shí)間。2）KMnO4酸性溶液與葡萄糖溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法為：取2 支試管，各加入2 mL 0.01 mol/L 的KMnO4溶液和1mL 4mol/L 的硫酸，同時(shí)分別加入2 mL 0.5 mol/L 葡萄糖溶液和1 mol/L 葡萄糖溶液，比較褪色時(shí)間。以上實(shí)驗(yàn)均可在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)自行用4 mol/L 的硫酸酸化高錳酸鉀，沒(méi)有酸化的高錳酸鉀溶液可在棕色瓶中放置長(zhǎng)達(dá)半年，有效避免了提前酸化高錳酸鉀變質(zhì)的問(wèn)題。KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)效果更明顯，穩(wěn)定性更好，能有效避免實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。