實驗九：用比色法來研習溴與甲酸反應的速率
引言
在一個反應中，若反應物或生成物帶有顏色，該顏色的深度會隨著反應的進行而改變，這變化可用比色法來測度。比色法較滴定法簡便和快捷，以及毋須從反應混合物中抽取樣本進行分析，因此適合用來研習反應的速率。
比色法所用儀器為比色計，其構造簡圖如下：
大多數比色計是用濾鏡或衍射光柵來選擇最適合反應混合物吸收的波長。所選擇的光波通過反應混合物，到達光敏電池，令它產生電流。該電流與通過反應混合物的光量有關，亦與反應混合物中有色物質的濃度有關。
若有色溶液的濃度為最低時，通過溶液的光量應最大，在光敏電池產生的電流亦為最大。一般而言，吸光度和有色溶液的濃度成正比，故此比色計通常是用吸光度來標定。在這實驗中，反應混合物中的溴是有色的，因此吸光度與反應混合物中溴的濃度成正比。溴與甲酸反應的方程式如下:
Br2(aq) + HCOOH(aq) ® 2Br- (aq) + 2H+(aq) + CO2(aq)
隨著反應的進行，溴的顏色深度會減少，這變化可用比色計來量度。若所用甲酸的濃度高於溴的濃度 10 倍，便可假設在反應中甲酸的濃度維持不變，因而可以集中探究溴的濃度對這反應速率的影響。
就溴而言，若反應是零級，[Br2] (或吸光度)對時間的圖像應是直線；若反應是一級，則 ln[Br2] 對時間的圖像應是直線；若反應是二級，則 l/[Br2] 對時間的圖像應是直線。通過繪畫這些圖像，可以測定這反應對溴的級數。
化學藥品
0.50 M 甲酸、0.05 M 溴水
儀器
比色計、薄壁試管(或比色杯) 、大試管、秒錶
步驟
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甲酸有刺激性，而溴水則有害。 |
1. 把比色計的靈敏度調至最低，插入藍色或綠色的濾鏡。開啟電源，待儀器運作數分鐘後才使用。
2. 在一比色計專用的薄壁試管中，加入去離子水至 3/4 容量，小心地把薄壁試管插入比色計中，蓋上光罩。把比色計的靈敏度調至最高，並將吸光度讀數調至零。
3. 在一支盛有 5 cm3 的 0.5 M 甲酸的薄壁試管中，加入等量的 0.05 M 溴水，隨即開始計時，並迅速把混合物輕輕搖勻。把薄壁試管插入比色計中，蓋上光罩，每隔 15 秒鐘量度吸光度，直至獲得 9 個讀數。
4. 把結果記錄在表一中。
結果
表一
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t / 秒 |
吸光度 |
ln (吸光度) |
1 / 吸光度 |
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15 |
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30 |
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45 |
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60 |
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75 |
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90 |
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105 |
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120 |
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135 |
討論
1. 繪出以下圖像：
(a) 吸光度 對 時間 ；
(b) ln (吸光度) 對 時間；
(c) 1 / 吸光度 對 時間。
求出這反應對溴的級數。
2. 利用合適的速率方程式，求出這反應的速率常數及寫出其單位。
3. 在研習反應速率的實驗中，與滴定法相比，比色法有何優點？
4. 在本實驗中，為甚麼要選用藍色或綠色的濾鏡？
5. 即使在沒有實驗誤差的情況下，為甚麼所得的圖像都不會是完全的直線？(提示：實驗中所作的假設，有哪幾項並不是完全正確的？)
備註
在步驟 2 及 3 中，若以比色杯代替薄壁試管來盛載測試溶液，宜先把甲酸及溴水放進一大試管中混合，然後把適量的混合液倒進比色杯中，進行測試。
