实验：温度对反应速率的影响

温度是中四反应速率一章要求你调查的四个因素之一，它给出整个课程里最清楚的结果之一。方法与浓度实验相仿，但改变的是另一个变量，因此是练习设计公平检验、只改变一件事的好机会。

本指南列出目的、方法、预期观察，以及实验考试所看重的试卷三技能。

目的

调查温度如何影响大理石（碳酸钙）与稀盐酸之间的反应速率，以收集固定体积二氧化碳气体所需的时间来衡量。

仪器与材料

• 锥形瓶
• 气体注射器，或用于排水集气的量筒与水槽
• 配有塞子的导气管，塞子须与锥形瓶吻合
• 温度计
• 用于加热酸的水浴或盛水烧杯
• 本生灯、三脚架与石棉网（或电热板）
• 秒表
• 量筒（例如 50 cm³）
• 电子天平
• 大小相近的大理石碎块（碳酸钙）
• 一种固定浓度的稀盐酸

步骤

1. 用量筒量取固定体积的稀盐酸，倒入锥形瓶。
2. 用水浴把酸加热到第一个选定温度，并用温度计记录该温度。
3. 称取固定质量、大小相近的大理石碎块。
4. 把大理石碎块加入酸中，立即装上塞子和接到气体注射器的导气管，并马上启动秒表。
5. 记录收集固定体积二氧化碳（例如 20 cm³）所需的时间。
6. 洗净锥形瓶，在几个不同温度下重复步骤 1 至 5，保持酸的体积与浓度以及大理石碎块的质量与大小相同。
7. 对每个温度，把速率算作一除以所需时间，并把速率对温度画图。

预期观察

在每个温度下都能看到起泡，因为二氧化碳被释放，气体注射器的活塞向外移动。温度较高时，起泡更剧烈，固定体积的气体在更短时间内收集完毕。

随着温度升高，所需时间减少，因此算出的速率（一除以时间）增大。速率对温度的图上升，表明酸越热反应越快。

推断与结论

收集固定体积气体所需的时间越短，反应速率越快。较高的温度给出较短的时间，因而给出较快的速率。

碰撞理论解释了原因：酸被加热时，粒子获得动能、运动更快，所以与大理石碰撞得更频繁；同时，更大比例的碰撞具有等于或大于活化能的能量，因此更多碰撞是有效的。结论是：反应速率随温度升高而增大。

科学过程技能（试卷三风格）

提出假设。 当酸的温度升高时，反应速率增大。

假设把操纵变量与反应变量联系起来。

辨认变量。 操纵变量是酸的温度。

反应变量是反应速率，由收集固定体积气体所需的时间求得。固定变量是酸的体积与浓度以及大理石碎块的质量与大小。

列表记录数据。 画一个表，设列为温度、所需时间与速率（一除以时间），温度按温度计的精度记录，时间按秒表的精度记录。

画图。 把速率（y 轴）对温度（x 轴）画图。

上升的趋势表明速率随温度上升。穿过各点的一条平滑最佳拟合线显示这一关系。

作出操作性定义。 反应速率用操作方式定义为：一除以收集固定体积二氧化碳气体所需的时间。

作出推断。 温度较高时反应较快，因为粒子运动更快、且更大比例的碰撞具有足够能量发生反应，这是评分方案所期望的碰撞理论解释。

安全须知

• 戴安全护目镜，因为稀盐酸有刺激性，溅到会伤害眼睛。
• 小心处理热酸与热玻璃器皿，使用坩埚钳或隔热垫，因为加热酸时有烫伤与烧伤的风险。
• 不要在塞子密封的情况下直接加热锥形瓶，因为被困的气体与蒸气会积聚压力；应先用水浴加热酸，再加入碎块。
• 皮肤若被酸溅到，立即用大量水冲洗，因为酸有刺激性。

常见错误

• 在记录温度前就加入碎块。 反应在温度已知之前就开始；应在加入大理石前记录酸的温度。
• 让酸在实验过程中冷却。 温度漂移，使检验不公平；应快速操作，或把锥形瓶保持在设定温度的水浴中。
• 装塞子太慢。 气体逸出，时间读数出错；应快速加入碎块并接好装置，在碎块放入时启动秒表。
• 改变大理石的质量或大小。 这会改变表面积，成为第二个变量；每次都用相同质量、大小相近的碎块。
• 把时间与速率混淆。 时间越短表示速率越快；若题目要求速率对温度，就画速率（一除以时间），而非时间。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们用这个实验来巩固温度题所要求的两部分碰撞理论答案：粒子运动更快、碰撞更频繁，且更大比例的碰撞具有足够能量发生反应。许多学生只答前半而丢一分。

我们也反复练习把时间换算成速率，这一点常让误画时间的学生出错。因为速率贯穿 SPM化学，而这又是标准的试卷三实验（试卷三为实验考试，评估科学过程技能），在这里把干净的方法与完整的解释掌握好，能守住各张试卷的分数。