催化光度法測定伊文思藍褪色反應速率常數
——推薦一個物理化學新實驗

徐俊暉，戢凌俊，孫琳，楊玉蓉，鐘敏，王亞珍

江漢大學光電材料與技術學院，武漢 430056

丙酮碘化反應是物理化學實驗課程內的一個重要實驗項目[1]，但在教學過程中常存在由于反應速率較快、實驗數據采集麻煩[2]，以及碘水溶性差、易附著在容量瓶及比色皿內壁不易清洗等問題。作為復雜反應動力學研究的一個經典學生實驗，自將測量方法從目視比色法或滴定法改成分光光度法后[3,4]，很少有人探討本實驗的進一步改進措施或者替代方案。催化動力學光度法是在普通光度法基礎上發展起來的一種高靈敏度分析方法，其基本原理是：基于反應速率與具有催化效果的待測物濃度之間的定量關系，通過測量與反應速率成比例的吸光度來計算待測物的濃度[5]。催化動力學光度法一般用于物質濃度分析，較少用于化學動力學的研究。本實驗基于催化動力學光度法的原理，提出了一個亞硝酸鈉作用下溴酸鉀氧化伊文思藍褪色反應體系，通過測量不同初始濃度及溫度下反應系統吸光度的變化來計算相應的化學反應速率常數，可以促進學生對影響化學反應速率的因素、活化能、催化作用等動力學知識的理解。另外，所用染料水溶性好、分子量大、溶液配制方便，而且反應速率可以通過改變亞硝酸鈉濃度來調控，在實際教學中可以便于學生記錄實驗數據，提高實驗效率。

1 教學內容

1.1 實驗目的

(1) 查閱文獻，了解催化光度法的基本原理；

(2) 熟悉超級恒溫槽、紫外-可見分光光度計的使用方法；

(3) 掌握測定伊文思藍褪色反應表觀速率常數和表觀活化能的方法。

1.2 實驗原理

伊文思藍(Evans Blue，EB)是一種人工合成的水溶性偶氮類染料，其結構如圖1所示。在酸性介質中，伊文思藍能被溴酸鉀氧化褪色。在室溫下反應速率非常慢，反應可表示為：

圖1 伊文思藍(EB)

若有微量亞硝酸根存在，則反應速率顯著增加。結合關于催化光度法研究的相關報道[6,7]可知，存在亞硝酸根時，除存在上述反應外，可能涉及的反應還有：

該反應的機理非常復雜。實驗證實，在一定反應物濃度范圍內，該反應在初期對伊文思藍和溴酸鉀均近似為一級。當溴酸鉀大大過量時，其濃度在反應過程中基本不變，可合并到表觀速率常數里，則速率方程可表示為：

或

式中：[EB]0為t= 0時伊文思藍的濃度，[EB]為t時刻伊文思藍的濃度。伊文思藍及其氧化產物在可見光區有寬的吸收帶，在此吸收帶中硫酸、溴酸鉀、亞硝酸鈉等沒有明顯的吸收，因此可通過系統吸光度的變化來度量反應的進程。

按朗伯-比爾定律，在較低的濃度范圍內，伊文思藍及其氧化產物的吸光度分別與其濃度成正比，反應系統的吸光度則為兩者貢獻之和。若反應時間為0、t、∞時溶液的吸光度分別為A0、At、A∞，b為溶液厚度(光徑長度)，則

可知A0-A∞= (ε1-ε2)b[EB]0、At-A∞= (ε1-ε2)b[EB]，代入公式(8)有

將上式改寫成：

由式(10)可以看出，如以ln(At-A∞)對t作圖可得一條直線，根據其斜率即可求得反應的表觀速率常數k。其中，A∞可通過測量存在過量NaNO2時，反應一段時間后系統的吸光度獲得。

在其他條件不變的情況下，改變溴酸鉀濃度，以lnk對lnc(KBrO3)作圖擬合直線，可根據該直線斜率確定溴酸鉀的分級數。

若由實驗求得不同溫度下的反應速率常數，根據公式(11)，可計算反應的表觀活化能：

1.3 實驗儀器和試劑

主要儀器：721E型可見分光光度計(帶恒溫夾套) (上海光譜儀器有限公司)，超級恒溫槽(南京桑力電子設備廠)，電子分析天平(上海精密儀器儀表有限公司)。

主要試劑：濃硫酸、亞硝酸鈉、溴酸鉀、抗壞血酸等均為分析純，伊文思藍為色譜純，均購于國藥集團化學試劑有限公司。

1.4 實驗步驟

1.4.1 溶液的配制

分別配制0.5 mol·L-1硫酸、0.5 g·L-1伊文思藍、0.1 mol·L-1溴酸鉀、5 mg·L-1亞硝酸鈉儲備溶液。向25 mL比色管中，依次加入蒸餾水20 mL、0.5 mol·L-1硫酸溶液0.50 mL、0.5 g·L-1伊文思藍溶液0.60 mL、0.1 mol·L-1溴酸鉀溶液1.0 mL，適當搖勻溶液后加入5 mg·L-1亞硝酸鈉溶液0.50 mL并開始計時，用蒸餾水定容。根據需要在此基礎上改變溶液用量，配制其他組成的反應溶液進行測量。

1.4.2 吸收曲線的測量

按照上述方法分別配制以下各組成的反應溶液：

(a) 0.01 mol·L-1硫酸 + 12 mg·L-1伊文思藍；

(b) a + 4 mmol·L-1溴酸鉀；

(c) b + 0.1 mg·L-1亞硝酸鈉；

(d) b + 1 mg·L-1亞硝酸鈉。

靜置反應20 min后，加入少量抗壞血酸使反應停止，取樣加入到1 cm比色皿中，在440-760 nm范圍內，采用721E型可見分光光度計依次測量吸收曲線，波長測量間隔為10 nm。

1.4.3 反應速率常數的測量

為了解決糧食水分及質量檢測方面的問題，應當從引進先進的檢測設備、技術和人員方面入手，提升糧食檢測方面的科學性、準確性及有效性，為后續的糧食管理工作提供參考性數據[11]。有條件的企業應當結合自身的糧食倉儲類型進行新型檢測設備的研發，結合現有的檢測設備及技術，對其中存在的問題進行處理和改良，對糧食當中的水分及其他成分進行測量，結合測量結果給出科學的糧食存儲方案，避免糧食由于存儲方面的問題而變質，造成成本流失[12]。

在恒溫25 °C、選定的工作波長下，維持其他組分濃度不變，分別測量溴酸鉀溶液用量為0.25、0.50、1.0、2.0 mL時吸光度隨時間的變化，一般間隔0.5-1 min記錄吸光度數值，一共記錄10-20 min，若反應較慢時增大時間間隔并延長記錄時間。按照類似方法分別測量亞硝酸鈉溶液用量為0、0.10、0.20、0.50、1.0、2.0 mL時吸光度隨時間的變化。

1.4.4 活化能的測量

分別將恒溫槽溫度設定為25、35、45 °C，測量不同溫度下當亞硝酸鈉溶液用量分別為0及0.50 mL時吸光度隨時間的變化。

1.5 注意事項

(1) 硫酸溶液的配制應在通風櫥中進行，攪拌下緩慢將濃硫酸加入水中；(2) 亞硝酸鈉溶液采用逐級稀釋法配制；(3) 配制反應溶液時，蒸餾水、儲備溶液以及比色皿均需要預恒溫；(4) 測量吸收曲線時，每次改變波長后均需重新校正分光光度計。

2 實驗組織運行安排

2.1 開設對象及學時安排

本實驗以物理化學中的化學動力學理論為基礎，面向化工、材料、藥學、環境等專業的二年級本科生開設，學生一般2人為一小組；共計12學時，分3次課完成，每次課主要內容為：第一次課，教師講授實驗原理和方法并檢查學生預習情況，學生實驗內容包括測量吸收曲線、改變溴酸鉀初始濃度進行動力學測量；第二次課，學生實驗內容為改變亞硝酸鈉的初始濃度進行動力學測量；第三次課，學生實驗內容為改變溫度進行動力學測量。

2.2 實驗預習要求

實驗教學開始前，要求學生查閱資料，完成如下預習要求：(1) 復習反應級數的確定、活化能、催化劑等化學動力學相關知識；(2) 了解伊文思藍的性質，理解催化動力學光度法的基本原理；(3) 了解721E型分光光度計的使用方法；(4) 計算溶液配制所需各試劑和溶液的用量，撰寫預習報告。

2.3 實驗數據處理要求

(1) 繪制不同反應溶液的吸收曲線，確定工作波長；(2) 根據不同溴酸鉀初始濃度下的動力學數據繪圖，推導伊文思藍和溴酸鉀的分級數；(3) 根據不同亞硝酸鈉初始濃度下的動力學數據，繪圖并計算反應速率常數，討論亞硝酸鈉對反應的加速作用；(4) 根據不同溫度下的動力學數據計算活化能。

3 結果與討論

3.1 不同反應溶液的吸收曲線

伊文思藍的硫酸溶液呈藍色。不同反應系統的吸收曲線如圖2所示。從圖中可以看出，伊文思藍在可見光區有很寬的吸收帶，最大吸收波長約610 nm，在后續動力學測量中選擇該值為工作波長；存在溴酸鉀時吸收略有減小，說明反應較慢；若同時存在亞硝酸鈉，實驗中觀察到溶液逐漸變為藍紫色，吸收曲線形狀基本不變，但吸光度顯著下降，說明反應速率較快；若存在高濃度亞硝酸鈉，溶液顏色迅速從藍色變成淡紫紅色，說明反應速率非常快，吸收曲線形狀明顯變化，最大吸收波長紫移至約520 nm，吸光度大大下降。以上結果表明亞硝酸根能顯著加速伊文思藍的褪色反應。由于存在1 mg·L-1亞硝酸鈉時，氧化產物在610 nm也有一定的光吸收但基本不再隨時間變化(約為0.1)，因此可近似認為反應完全，溶液吸光度可視為A∞。

圖2 不同反應溶液的吸收曲線

3.2 反應級數的確定

圖3 KBrO3濃度的影響

表1 不同KBrO3初始濃度下的表觀反應速率常數

3.3 亞硝酸鈉的影響

不同亞硝酸鈉濃度下反應溶液吸光度隨時間的變化情況如圖4A所示。沒有亞硝酸鈉存在時反應速率很小；加入亞硝酸鈉后，溶液吸光度下降速率隨其濃度增加而迅速增加。ln(At-A∞)與反應時間呈較好直線關系(圖4B)，根據各直線的斜率可以求得相應的表觀反應速率常數，結果見表2。在較低亞硝酸鈉濃度范圍內，表觀速率常數與其濃度基本呈線性關系，進一步說明亞硝酸根對伊文思藍的褪色反應具有加速作用。在本反應中，亞硝酸根參與反應的具體機理尚待進一步證實，但是亞硝酸根能顯著加速溴酸鉀氧化伊文思藍的反應，說明亞硝酸根參與了反應，改變了反應途徑，起到了類似于催化劑的作用。

圖4 NaNO2濃度的影響

表2 不同NaNO2初始濃度下的表觀反應速率常數

3.4 活化能的計算

圖5A給出了含或不含亞硝酸鈉時反應溶液吸光度隨時間的變化關系。在研究的溫度范圍內，隨著溫度升高，兩種反應系統吸光度下降速率均加快。由ln(At-A∞)對反應時間擬合直線斜率的變化，更直觀反映了溫度對表觀反應速率常數的影響(見圖5B)。根據各直線的斜率可以求得相應的表觀反應速率常數，結果見表3；將不同溫度下的表觀速率常數代入公式(11)，可以計算得兩種反應體系的活化能；活化能的參考值分別約為71 kJ·mol-1和45 kJ·mol-1，說明加入亞硝酸鈉后改變了反應途徑，活化能顯著下降。

圖5 溫度的影響

表3 不同溫度下兩種反應系統的表觀反應速率常數

4 教學效果和反思

本實驗已于2022年春季和秋季分別應用于化工、新能源材料與器件等專業物理化學實驗課程的教學，累計6個班217名學生參加了學習。從實驗完成情況來看，約78%的學生能在規定的時間內完成實驗，不能順利完成實驗的主要原因是溶液配制操作不熟練，甚至出錯導致重做。由于在第一次課時學生的操作相對不夠熟練，將前兩次課安排在同一天上下午進行，有利于學生合理分配時間，提高實驗效率；若多個班級連續進行該實驗，由指導教師事先配制好儲備溶液可以明顯提高學生的完成度，并較好地提高學生實驗數據的一致性。

從實驗結果來看，所有同學都能得出該反應在初始階段對伊文思藍和溴酸鉀均近似為一級、亞硝酸根對反應有加速作用等正確結論；與活化能參考值相比，約52%的學生實驗結果相對誤差低于20%，約87%的學生實驗結果相對誤差低于50%。在同學期進行的丙酮碘化反應實驗中，反應初始時刻系統的吸光度就比較小，且由于要在碘濃度適中的基礎上保證催化劑及丙酮大大過量，反應速率在室溫時就比較快，若反應溫度較高，學生配制反應溶液操作稍慢就難以記錄到足夠的有效實驗數據；與之相比，本實驗中反應速率可以通過改變亞硝酸鈉濃度來調控，從而在溫度較高時仍有比較適中的反應速率，學生更容易順利記錄實驗數據。其次，在沒有催化劑時丙酮碘化反應速率極慢，很難通過實驗來求算反應活化能，學生對加入催化劑前后活化能的變化幅度缺乏直觀認識；而本實驗中不存在亞硝酸鈉時仍有一定的反應速率，且活化能比較適中，可以通過不同溫度下的實驗數據來求算反應活化能，有助于學生進一步理解催化劑改變反應途徑、降低活化能的內涵。最后，在丙酮碘化反應實驗中碘殘留污染比色皿的現象比較嚴重，而本實驗中使用的伊文思藍水溶性非常好，基本不存在比色皿被污染變色的現象，有利于重復使用。從以上分析來看，本實驗可望在適當簡化后作為丙酮碘化反應實驗的替代項目。

本實驗涵蓋了簡單級數反應的動力學特征、反應級數的確定方法、活化能、催化動力學等眾多知識點，并涉及較多化學試劑的規范使用、溶液配制的規范操作等內容，以及大量的實驗數據處理。學生通過本實驗的學習，加深了對上述理論知識的理解和實驗操作技能的掌握，并能鍛煉運用專業軟件處理實驗數據的能力。在實驗教學過程中適當介紹亞硝酸鹽等的危害，有利于引導學生養成綠色化學思維。本實驗將化學動力學的理論知識與化學實驗實踐技能有機結合，促進了學生嚴肅認真、積極探索的科學態度的形成以及分析問題、解決問題能力的培養；在教學過程中，篩選了3名優秀學生參加了第三屆化學實驗創新設計大賽，榮獲華中賽區競賽一等獎。

5 結語

本文以伊文思藍為指示劑，提出了一個基于催化光度法的動力學實驗項目。在反應初始階段，溴酸鉀氧化伊文思藍反應對溴酸鉀和伊文思藍均近似為一級，亞硝酸根的加入大大降低了反應的活化能，對該反應有顯著的加速效果。教學實踐結果表明，本實驗可繁可簡，既可作為綜合研究性物理化學實驗項目，又可簡化替代經典的復雜反應動力學實驗項目——丙酮碘化反應。通過本實驗的教學，不僅能促進學生對反應級數的確定方法、濃度對化學反應速率的影響以及活化能的理解，還能加強學生對催化劑“改變反應途徑，降低活化能”的理解。