高錳酸鉀與草酸反應的探究與改進

謝惠春

（廣州市協和中學，廣東廣州510000）

草酸溶液和高錳酸鉀溶液的反應是人教版化學選修四教材中證明濃度對反應速率影響的重要實驗。實驗看似簡單，但是準備時卻存在不少問題。除了經常遇到濃度較小的草酸溶液先褪色的異常實驗現象以外，還存在以下問題。為了方便學生實驗，實驗老師準備本實驗中所需高錳酸鉀酸性溶液時，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，非常容易變質，大約1d 左右就由原來的紫紅色變成了橙紅色，2～3d 左右幾乎完全褪色，試劑瓶底部還有大量黑色的物質產生，使后續分組實驗無法進行。而沒有酸化的高錳酸鉀溶液，避光保存卻能放置長達半年。可否在準備實驗時把高錳酸鉀和硫酸分開準備，課堂上學生分組實驗時自己酸化？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速率的實驗？筆者對此進行實驗研究。

1 實驗原理

KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應基于原理：

圖1

經查閱資料[1]，與C2O42-反應是在Mn2+存在的情形下，（Mn2+是這個反應的催化劑），反應過程為：

在酸性較大的KMnO4溶液中加入草酸溶液，草酸的濃度較小時，以KMnO4的自身分解為主，當草酸濃度較大時，因發生絡合反應的速率和進度均較大而再分解的速率成了反應的瓶頸。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 實驗探究和改進

王春[2]建議改變試劑的加入順序，將少量高錳酸鉀加入到量多的草酸中；謝曉青等[1]通過正交試驗研究，表明硫酸濃度對反應速率影響的主效應顯著。孫運體[3]探究了濃硫酸酸化比例對反應速率的影響。筆者按照文獻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，需要冷卻后才能進行實驗。出于實驗安全和實驗時間的考慮，不建議課堂學生分組實驗時采用濃硫酸進行酸化。若硫酸的酸性太弱，反應時間又過長，不利于課堂分組實驗的開展。為避免出現異常實驗現象以及解決反應速率慢的問題，重點對硫酸的濃度以及替代試劑的可行性進行了探究。經查閱文獻[4]，本實驗采用3 mol/L，4 mol/L 的硫酸進行酸化探究。

2.1 探究硫酸濃度對反應速率的影響

實驗1 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應，結果見表1。

表1 實驗1 （硫酸濃度：3mol/L，實驗時間：2018.7.10）

實驗2 0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應，結果見表2。

對比實驗1 和實驗2 可以得出：同等條件下，酸化高錳酸鉀的硫酸濃度越大，反應速率越快，符合濃度越大，反應速率越快的規律。為了探究0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的H2C2O4溶液的反應的穩定性探究，進行了實驗3和實驗4 見表3，4。

對比實驗1，3 和實驗2，4 可以得出，硫酸的酸化濃度為3 mol/L 時，實驗的穩定性發生了變化，出現了反常現象，濃度小的草酸溶液褪色快。而硫酸的酸化濃度為4 mol/L 時，實驗的穩定性較好，符合濃度越大，反應速率越快的規律。

表2 實驗2（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間：2018.7.11）

表3 實驗3（硫酸濃度：3mol/L，實驗時間：2018.7.12）

表4 實驗4（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間：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

草酸和維生素C 均為常見的還原性有機物，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的實驗。但在實驗過程中發現高錳酸鉀酸性溶液與維生素C 反應速率過快，不適合作為探究反應速率的物質。

表5 實驗5（硫酸濃度：4mol/L，實驗時間2018.7.13）

表6 實驗6（硫酸濃度：4 mol/L，實驗時間：2018.7.17）

王春[2]曾經報道過可以用葡萄糖作為替代試劑與高錳酸鉀酸性溶液反應，為得到更加符合學生分組的實驗，特進行了有關探究，見表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

從實驗5 得出，不同濃度的葡萄糖溶液分別與KMnO4酸性溶液進行反應，符合濃度越大，反應速率越快的規律。該過程顏色變化明顯，且褪色時間相差較大，便于觀察，實驗效果好。為了探究實驗的穩定性，特進行了實驗6。

表6 實驗6，0.01 mol/L 的KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應的穩定性探究。

從實驗6 得出：KMnO4酸性溶液與不同濃度葡萄糖溶液反應穩定性好，符合濃度越大，反應速率越快的規律，適合用于濃度對反應速率影響規律的實驗探究中。

3 實驗結果與討論

通過以上實驗，得出如下結論：1）KMnO4酸性溶液與草酸溶液反應的實驗方法為：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，比較褪色時間。2）KMnO4酸性溶液與葡萄糖溶液反應的實驗方法為：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，比較褪色時間。以上實驗均可在學生分組實驗時自行用4 mol/L 的硫酸酸化高錳酸鉀，沒有酸化的高錳酸鉀溶液可在棕色瓶中放置長達半年，有效避免了提前酸化高錳酸鉀變質的問題。KMnO4酸性溶液與不同濃度的葡萄糖溶液反應，實驗效果更明顯，穩定性更好，能有效避免實驗出現異常現象。