王小鋒，徐　鑒，石翛然，李曉婷

(南京曉莊學院環(huán)境科學學院，江蘇　南京　211171)

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通過色素顏色變化進行的化學動力學實驗設(shè)計*

王小鋒，徐鑒，石翛然，李曉婷

(南京曉莊學院環(huán)境科學學院，江蘇南京211171)

針對傳統(tǒng)化學動力學實驗設(shè)計，本文通過食品色素分解的顏色變化，開展化學動力學創(chuàng)新實驗設(shè)計探索，加深對化學動力學知識的理解，有效地調(diào)動學生的學習積極性。本文采用過硫酸銨和Fe2+，可以有效的氧化分解有色食品色素。重點研究了食品色素濃度、過硫酸銨濃度、Fe2+濃度和溫度對食品色素分解速率的影響，掌握如反應級數(shù)、速率系數(shù)、活化能等化學反應動力學的特性。

動力學；食品色素；氧化分解；實驗設(shè)計

對于理工科教學而言，實踐是教學的基礎(chǔ)，興趣是學習的動力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維、提高其綜合素質(zhì)和技能是教學的根本任務。傳統(tǒng)無機化學教學中的化學動力學實驗難以引起學生的學習興趣。要想準確表達化學反應進行的快慢，就必須建立起一套行之有效的方法：確定反應的起點，找出易于測量的某種量的變化，通過實驗探討反應速率的決定因素，還有外界條件對化學反應速率的影響[1-3]。通過實驗和理論分析，使學生由感性認識上升到理性認識[4]。

本論文采用與生活息息相關(guān)的食品色素，條件易滿足，操作不復雜，數(shù)據(jù)處理也不深奧，實驗現(xiàn)象直觀，可加深學生對化學反應動力學知識的理解與記憶，也對食品色素和高級氧化技術(shù)有了深刻認識，增強學習興趣[5]。

1　實　驗

1.1實驗原理

1.1.1過硫酸銨和Fe2+反應原理

采用過硫酸銨和Fe2+，可以有效的氧化分解有色食品色素。Fe2+在常溫常壓可活化過硫酸鹽，產(chǎn)生硫酸根自由基氧化分解有機物，能耗低不需外加熱源與光源。反應如式：

(1)

(2)

綜合可得二價鐵活化過硫酸鹽反應式為

(3)

1.1.2化學動力學原理

化學動力學的基本任務是研究化學反應的速率和機理，以及各種因素對反應速率的影響，同時研究反應速率方程等化學動力學普遍規(guī)律。

(1) 反應速率方程(反應動力學方程)

一定溫度下，表示化學反應系統(tǒng)中反應速率與反應物的濃度間函數(shù)關(guān)系的方程式稱為反應速率方程(有時也與產(chǎn)物濃度有關(guān))。反應

(4)

若通過實驗測定反應速率方程為

(5)

則方程中α和β分別為A和B的級數(shù)，α+β = n為反應的總級數(shù)；k為速率系數(shù)。所以在本文試驗中，色素分解反應速率方程假定為：

(6)

(2) 影響反應速率的因素

除了反應物的本質(zhì)影響反應速率，還有反應物濃度、催化劑、溫度等也影響反應速率。在固定溫度下，反應物濃度對反應速率影響表現(xiàn)在反應速率方程中。催化劑能改變化學反應速率，而自身在反應前后的數(shù)量與化學性質(zhì)都不發(fā)生變化。

研究溫度對反應速率的影響應用最廣泛的是Arrhenius方程。方程如下：

k=Aexp(Ea/RT)

(7)

式中：k——反應速率常數(shù)

A——指前因子

Ea——活化能，kJ·moL-1

T——反應的絕對溫度，K

R——氣體常數(shù)8.314 J·moL-1·K-1

1.2實驗儀器和試劑

容量瓶(100 mL，250 mL)；天平；燒杯；量筒；恒溫加熱磁力攪拌器；鐵架臺(帶有夾子)；玻璃棒；計時器；滴管。

胭脂紅，上海色素研究所有限公司；過硫酸銨，上海凌峰化學試劑有限公司，分析純AR；七水硫酸亞鐵，國藥集團化學試劑有限公司，分析純AR；蒸餾水。

1.3實驗過程

1.3.1溶液配制

配制20 mL 1 g·L-1和0.5 g·L-1紅色色素溶液。配制250 mL 0.05 mol·L-1(NH4)2S2O8溶液和0.01 mol·L-1FeSO4·7H2O溶液，100 mL 0.1 mol·L-1(NH4)2S2O8溶液和0.02 mol·L-1FeSO4·7H2O溶液。

1.3.2反應方法

(1)食品色素分解實驗

燒杯中各加入5 mL 0.05 mol·L-1(NH4)2S2O8和5 mL 0.01 mol·L-1FeSO4·7H2O。磁力攪拌均勻中，加入6滴1 g·L-1紅色色素，觀察燒杯中顏色的變化，并記錄時間。平行重復試驗三次。

(2)食品色素濃度對食品色素分解速率的影響

燒杯中加入5 mL 0.05 mol·L-1(NH4)2S2O8和5 mL 0.01 mol·L-1FeSO4·7H2O。磁力攪拌均勻中，加入6滴0.5 g·L-1紅色食用色素，觀察燒杯中顏色的變化，并記錄時間。試驗平行重復三次。與第(1)組實驗對比。

(3)Fe2+濃度對食品色素分解速率的影響

燒杯中加入5 mL 0.05 mol·L-1(NH4)2S2O8和5 mL 0.02 mol·L-1FeSO4·7H2O。攪拌均勻中加入6滴1 g·L-1紅色食用色素，觀察燒杯中顏色的變化，并記錄時間。試驗平行重復三次。與第(1)組實驗對比。

(4)(NH4)2S2O8濃度對食品色素分解速率的影響

燒杯中各加入5 mL 0.1 mol·L-1(NH4)2S2O8和5 mL 0.01 mol·L-1FeSO4·7H2O。攪拌均勻中加入6滴1 g·L-1紅色食用色素，觀察燒杯中顏色的變化，并記錄時間。試驗平行重復三次。與第(1)組實驗對比。

(5)溫度對食品色素分解速率的影響

燒杯中加入5 mL 0.05 mol·L-1(NH4)2S2O8和5 mL 0.01 mol·L-1FeSO4·7H2O，10滴1 g·L-1紅色食用色素，將燒杯置于25 ℃的水浴中反應，觀察燒杯中顏色的變化，并記錄時間。接著再調(diào)節(jié)水浴溫度為35 ℃，45 ℃，55 ℃，重復實驗。試驗平行重復三次。

1.4注意事項

過硫酸銨具有腐蝕性和刺激性，要帶口罩和手套操作。

2　結(jié)果與討論

2.1食品色素分解實驗

如圖1所示，顯示6滴1 g·L-1紅色食用色素受催化的分解顏色變化過程。在試驗中，色素分解顏色變化通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)分解過程很復雜，所以實驗研究了從開始的顏色紅色到顏色1、顏色2和顏色3。另外，在色素分解前段過程，由于是氧化分解的開始，色素顏色偏深，利于肉眼觀察，而到了后段過程，由于色素顏色趨于變淡，很難準確區(qū)分，所以實驗研究偏前段過程，即從開始的顏色紅色到顏色1、顏色2和顏色3。

圖1　紅色食用色素分解顏色變化

2.2食品色素濃度對食品色素分解速率的影響

表1　6滴0.5 g·L-1(0.015 g·L-1)紅色食用色素分解顏色變化速率

如表2所示，由可得，α接近0，即色素濃度對色素分解速率并不是很大。

表2　不同濃度紅色食用色素分解顏色變化速率

2.3Fe2+濃度對食品色素分解速率的影響

通過記錄色素顏色變化的時間，加上已知色素的濃度，可以求得色素的平均分解速率，即=(0.03/t) mg·L-1·s-1。不同F(xiàn)e2+濃度下色素分解速率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　6滴1 g·L-1(0.03 g·L-1)紅色食用色素分解顏色變化速率

表4　不同F(xiàn)e2+濃度下1 g·L-1紅色食用色素分解顏色變化速率

2.4(NH4)2S2O8濃度對食品色素分解速率的影響

表5　6滴1 g·L-1(0.03 g·L-1)紅色食用色素分解顏色變化速率

red food dyes decomposition

通過上述幾組對比試驗可以得出，食用色素氧化分解反應比較接近一級動力學，食用色素氧化分解反應速率方程為:

2.5溫度對食品色素分解速率的影響

此組對比實驗，考慮到隨著溫度的升高，色素分解速率會加快，導致中間的顏色變化快，肉眼難以準確觀察到，分解速率由開始顏色到最終顏色計算，不同溫度的速率數(shù)據(jù)如表7所示。

表7　不同溫度下1 g·L-1(0.05 g·L-1)紅色食用色素分解顏色變化速率

如表7所示，隨著溫度的升高，食用色素分解速率增大。根據(jù)Arrhenius方程，作出與1/T的關(guān)系圖(圖2)，可得y=-4636.3x+14.489,所以活化能Ea=38.55 kJ·moL-1。

圖2　與1/T的關(guān)系

3　結(jié)　論

[1]楊世迎,陳友媛,胥慧真.過硫酸鹽活化高級氧化新技術(shù)[J].化學進展,2008,20(9)：1433-1438.

[2]張乃東,張曼霞,孫冰.硫酸根自由基處理水中甲基橙的初步研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2006,38(4):636-635.

[3]Kislenko V N,Berlin A A,Litocvhenko N V. Kinetics of glucose

oxidation with persulfateions,catalyzed by iron salts[J]. Russian J. of General Chem.,l995,65(7):1092-1096.

[4]薛智勇,陳王,朱洪. UV/K2S2O8降解偶氮色素AO7的研究:動力學及反應途徑[J].環(huán)境科學,2010, 31(7):1534-1537.

[5]Waldemer R H,Tratnyek P G,Johnson R L. Oxidation of chlorinated ethenes by heat-activated persulfate: Kinetics and products[J]. Environ. Sci.&Tech.,2007,41(3):1010-1015.

Experimental Design of Kinetics by Color Change of Food Dyes*

WANG Xiao-feng, XU Jian, SHI Xiao-ran, LI Xiao-ting

(School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang University, Jiangsu Nanjing 211171, China)

Against the traditional design of kinetic experiments, innovative experiments designed was carried out to explore the chemical kinetics by color change by food dyes decomposition, from which students can deepen the understanding of the knowledge of chemical kinetics. (NH4)2S2O8activated by Fe2+can effectively oxidize and decompose food dyes. Those impacts on the rate of decomposition were discussed, such as the concentration of food dye, (NH4)2S2O8, Fe2+and temperature. Besides, the experiment was designed to master the teaching key points of reaction system such as reaction order, rate coefficient and activation energy.

dynamics; food dyes; oxidative decomposition; experimental design

教育部科學技術(shù)研究重大項目(210102)；南京曉莊學院校級重點項目(No:2013NXY05)。

王小鋒(1979- )，男，副教授，主要從事化學教學和配位化學研究。

O6-3

A

1001-9677(2016)016-0073-04