Determination of H2O2 Decomposition Rate Constant 2. 测定过氧化氢分解反应的速率常数和级数 3. 了解各种因素对反应速率的影响 4. 用图解法求过氧化氢分解反应的速率常数 二． 实验原理 凡是反应速度只是与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。实验证明，过氧化氢分解的反应为 如果该反应属于一级反应，则其反应速度方程应遵守下式： 式中：k为反应速度常数；Ct为时间为t式的反应物浓度。 将式（1）积分得： 式中： 为反应开始时H2O2的浓度。 如将(2)变换，可得： 该式子式是lnCt～t的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻t时反应系统中H2O2的浓度Ct，取得若干组Ct ，t数据后，以lnCt对时间t作图，可得一直线， 表明该反应为一级反应，其斜率为反应速度常数得负值－k，截距为㏑ 。 三． 实验方法 1. 实验条件的设计： 化学反应速度取决于许多因素，例如反应物的浓度﹑搅拌速度﹑反应压力﹑温度﹑催化剂等等。某些催化剂可以明显地加快反应速度。能加速H2O2分解的催化剂Pt﹑Ag﹑碘化物等等。 本实验用KI作为催化剂，在静态装置里测定H2O2分解反应的速度常数（实验装置见第三部分）。H2O2在水溶液中分解释放出氧气的速率较慢，加入KI时，速率加快，其反应按下面的步骤进行，即 KI+ H2O2====KIO+H2O (慢) (1) KIO====KI+1/2O2 (快) (2) 由于第一步的速率比第二步慢得多，所以第一步为反应得控制步骤。因而可以假定其反应的速率方程式为 式中，Ct为反应系统中反应到t时刻H2O2浓度，因KI在反应过程中浓度不变，故上式可以简化为 当 t＝0时， Ct＝C0 t＝t时， Ct＝Ct 定积分式为 积分结果 lnCt＝－kt＋㏑C0（5） 式（5）是 lnCt～t的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻t时反应系统中H2O2的浓度 Ct真空泵叶片 ，取得若干组Ct，t的数据后，以 ㏑Ct对t作图，得一直线，表明该反应为一级反应（准一级反应），直线斜率为－k 。 2、V∞的求取： 由反应方程式可知，在恒温常压下，H2O2分解的反应速度与氧气的析出速度成正比。析出的氧气体积可由量气管测量。在H2O2催化分解过程中t时刻H2O2的浓度可以通过测量相应时间内分解放出的氧气的体积得出。放出的氧气的体积与分解了的H2O2的量成正比，其比例系数为定值。若以Vt和Ct表示时间t时量气管的读数和H2O2的浓度，表示H2O2完全分解时量气管的读数，则 Ct ∝（V∞－ Vt） ln（V∞－Vt）＝－kt＋ln V∞ （6） 如果以ln（V鼠标垫制作∞－Vt）对t作图得一直线，即验证是一级反应，由直线斜率m可求出速率常数k,m＝－k。 式（6）为ln（V∞－Vt）～t的直线方程，式中V∞为H2O2全部分解放出的氧气体积，反应温度及KI浓度一定时，它不随时间改变。实验过程中只需要测定反应进行到不同时刻t时的H2O2分解放出的氧气体积Vt（若干个数据）和反应终了时H2O2全部分解放出氧气体积V∞（一个数据），以ln（V∞－Vt）对时间t作图得一直线，直线斜率为m＝－k ，用作图法可求出反应速率常数k 。 V∞可采用如下两种方法求取： （1）外推法 以 为横坐标对Vt作图，将直线段外推至 ＝0，其截距即为V∞ （2）加热法 在测定若干个Vt数据之后，将H2O2溶液加热至50－60℃约15分钟，可认为H2O2以基本分解。待完全冷却后，记下量气管读数，即为V∞ V∞也可以不测，由“数据处理”中介绍的方法求出反应速率常数k 四．仪器和药品 1. 实验装置一套（见下图） 1. 电磁搅拌器 2. 锥形瓶 3.橡皮塞 4.三通活塞 5.量器管 6.水位瓶 5种实验装置优劣比较 2. 仪器和药品 量气管 50ml 一支 锥形瓶 250ml 不锈钢钢锭一个 水准瓶 一个 三通旋塞 一个 电磁搅拌器 一台 移液管 10ml 一支 量筒 10ml 二个 1％ H2O2 ； 0.1mol/L KI溶液 五．实验步骤 1. 将20ml蒸馏水和10ml 0.1 mol/l KI溶液加入到锥形瓶中，塞紧橡胶塞。 2. 试漏 如上图装置好仪器。旋转三通活塞4于位置a ，使系统与外界相通，举高水准瓶，使液体充满量气管。然后旋转三通活塞到b ，使系统与外界隔绝，并把水准瓶放到最低位置。如量气管中液面在2分钟内保持不变，即表示系统不漏气；否则应出系统漏气的原因，并设法排除之。读取量气管内初始气体体积V0注意量气管读数时一定要使水准瓶和量气管内液面保持同一水平面。 无尘清洗3. 打开橡胶塞，举起水准瓶，使量气管内液面位于零刻度处，启动电磁搅拌。把0.5ml 1％H2O2与10ml蒸馏水混合，然后将其倒入锥形瓶中，迅速塞紧橡胶塞。再塞紧胶塞的同时，记下反应时间。 4. 反应开始后每隔2分钟读取量气管读数一次，20分钟后，每隔5分钟读取一次，直到量气管读数约为50ml时，实验结束。 5. 将锥形瓶加热至50-60℃ ，并保持大约15分钟。再将其冷却至室温，读取量气管气体体积，即V∞ 6.实验完成后，将锥形瓶反应器、量筒、移液管用蒸馏水洗净，搞好实验台卫生。 六．数据处理 （1）列出t、1/t和Vt的数据表，并以Vt对1/t作图，将直线段外推至1/t＝0 ，取截距即为V∞ （3）、计算在实验温度下，H2O2 催化分解速率常数 k＝－2.303m 七、实验注意事项 对过氧化氢分解反应，影响实验结果得主要因素有温度、压力、催化剂的种类和浓度（或质量）、搅拌情况及Vt和V∞的测量准确度。根据这些影响因素，实验中的注意事项有： 1.温度直接影响量气管中的气体体积的测量值，因此除了对反应体系恒温外，还要对量气管进行恒温，恒温精度要达到土0.1℃。另外和其它反应一样，在低温时Vt测量间隔可以稍长，而当反应温度较高时，则Vt的测量间隔应适当缩短，以便得到一定数量的准确的Vt值。 2.本实验因为是通过测量不同反应时刻放出氧气的Vt及V∞来求k的数值，所以需要在恒压的条件下测量，而且要保证体系不漏气。为便于测量和读数，可以考虑采用上文链接所示装置4 的水平量气装置。 3.催化剂的种类和浓度对过氧化氢在水溶液中的分解反应有较大的影响，而且对过氧化氢分解反应有催化作用的物质很多。所以，过氧化氢溶液应新鲜配制．而且最好是采用二次蒸馏水来配制。另外，所用催化刑的浓度(或质量)应准确，以便和文献值进行对比。 4.表观速率常数k的准确度直接与Vt和V∞的测量准确度有关。为保证Vt和V∞的测量准确度，所用量气管的内径和刻度应比较均匀；另外，过氧化氢溶液的初始浓度和体积要选择合适，使V∞大致在30一50ml左右。 5.搅拌对实验也有影响。为进行比较，搅拌要适当，每次实验的搅拌情况尽量一致。 八、实验参考数据 1.实验条件 温度： 20℃ 压力： 1.00868×105Pa 反应体系： （1）1％H2O2溶液10ml＋0.2mol/L KI溶液2ml （2）1％H2O2溶液10ml＋0.4mol/L KI溶液2ml 下表1与表2分别表示对应于（1）和（2）的Vt与时间的关系 表１ 表２
对于反应液（1），由作图法求得的表观速率常数 K＝0.0311/min 对于反应液（2），则其K＝0.0805/min 2.反应体系 50ml 0.1000mol/L H2O2＋1.5ml 1.0mol/L KI溶液， 各温度下的表观速率常数如下： t＝15℃时， k＝0.0172/min t＝25℃时， k＝0.0387/min t＝35℃时， k＝0.0749/min 九、思考题 1.一级反应的特点是什么？反应速率常数k与哪些因素有关？ 2.反应过程中采用电磁搅拌有什么好处？如果搅拌不均匀对实验结果有无影响？ 3.除用外推法之外，还可以用其它什么方法来测定V∞？ 4.本实验为什么以胶塞塞紧的瞬间，而不是以H仿形车床2O2和KI混合的瞬间作为反应开始时间？ 5.如何检查体系是否漏气？ 6.如何理解水位瓶、量气管、水准管三液面在实验过程中应随时保持一致？ 习题详解 十、参考资料 1、郭子成、杨建一等主编， 物理化学实验，P.90 北京理工大学出版社（2004） 2、吴子生主编，物理化学实验， P.226 （2002） 3、马堡富主编，物理化学实验，P.98 化学工业出版社（1987） 4、复旦大学等，物理化学实验，P.117 人民教育出版社（1979） 十一、创新型实验 1、程淑玉、魏登贵、朱泉晓过氧化氢催化分解实验的改进 摘要：改进了过氧化氢分解的实验装置，从而改善了数据处理方法，无需测量反应完全后放出氧气的体积V∞ 2、何蜀湘、李强国对过氧化氢催化分解速率常数测定实验的改进 摘要：改进了过氧化氢催化分解实验的实验装置 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
本文发布于:2024-09-22 09:25:13，感谢您对本站的认可！
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