過(guò)氧化氫分解速率常數(shù)的測(cè)定

過(guò)氧化氫分解速率常數(shù)的測(cè)定DeterminationofH2O2DecompositionRateConstant一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笫煜ひ患?jí)反應(yīng)的特點(diǎn)測(cè)定過(guò)氧化氫分解反應(yīng)的速率常數(shù)和級(jí)數(shù)了解各種因素對(duì)反應(yīng)速率的影響用圖解法求過(guò)氧化氫分解反應(yīng)的速率常數(shù)二實(shí)驗(yàn)原理凡是反應(yīng)速度只是與反應(yīng)物濃度的一次方成正比的反應(yīng)稱(chēng)為一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，過(guò)氧化氫分解的反應(yīng)為Hr.%—%0+T馬如果該反應(yīng)屬于一級(jí)反應(yīng)，則其反應(yīng)速度方程應(yīng)遵守下式：TOC\o"1-5"\h\z_ 十 (1)T式中：k為反應(yīng)速度常數(shù)；q為時(shí)間為t式的反應(yīng)物濃度。將式(1)積分得：lnCt=-^+lnC" (2)式中：艾為反應(yīng)開(kāi)始時(shí)H2O2的濃度。如將(2)變換，可得：1口尋=-骯 (3)該式子式是lnCt?t的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，測(cè)定不同時(shí)刻t時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中HO的濃度C，取得若干組C,t數(shù)據(jù)后，以lnC對(duì)22 t t t時(shí)間t作圖，可得一直線，表明該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，其斜率為反應(yīng)速度常數(shù)得負(fù)值-k,截距為ln「。三? 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)：化學(xué)反應(yīng)速度取決于許多因素，例如反應(yīng)物的濃度、攪拌速度、反應(yīng)壓力、溫度、催化劑等等。某些催化劑可以明顯地加快反應(yīng)速度。能加速H2O2分解的催化劑Pt、Ag、碘化物等等。本實(shí)驗(yàn)用KI作為催化劑，在靜態(tài)裝置里測(cè)定HO分解反應(yīng)的速度常22數(shù)（實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)第三部分）。H2O2在水溶液中分解釋放出氧氣的速率較慢，加入有時(shí)，速率加快，其反應(yīng)按下面的步驟進(jìn)行，即KI+七02====號(hào)0+七0 （慢） （1）KI0====KI+1/202 （快）（2）由于第一步的速率比第二步慢得多，所以第一步為反應(yīng)得控制步驟。因而可以假定其反應(yīng)的速率方程式為式中，Ct為反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)到t時(shí)刻H202濃度，因KI在反應(yīng)過(guò)程中濃度不變，故上式可以簡(jiǎn)化為,將上式分離變量積分式中，lc=fdx,將上式分離變量積分式中，lc=fdxt=0時(shí),Ct=C0Ct=Ct定積分式為定積分式為積分結(jié)果lnC廣-kt+lnC0（5）式（5）是lnCt?t的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，測(cè)定不同時(shí)刻t時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中HO的濃度C，取得若干組C,t的數(shù)據(jù)后，以22 t tInCt對(duì)t作圖，得一直線，表明該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)（準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)），直線斜率為-k。2、匕的求?。河煞磻?yīng)方程式可知，在恒溫常壓下，H2O2分解的反應(yīng)速度與氧氣的析出速度成正比。析出的氧氣體積可由量氣管測(cè)量。在HO催化22分解過(guò)程中t時(shí)刻H2O2的濃度可以通過(guò)測(cè)量相應(yīng)時(shí)間內(nèi)分解放出的氧氣的體積得出。放出的氧氣的體積與分解了的H2O2的量成正比，其比例系數(shù)為定值。若以Vt和Ct表示時(shí)間t時(shí)量氣管的讀數(shù)和H2O2的濃度，表示H2O2完全分解時(shí)量氣管的讀數(shù)，則CtOC（VTO-Vt）將上述關(guān)系代入式（2）lnCt=-^+lnC； ,可得ln（匕-Vt）=-kt+ln匕（6）如果以ln（V^-Vt）對(duì)t作圖得一直線，即驗(yàn)證是一級(jí)反應(yīng)，由直線斜率m可求出速率常數(shù)k,m=-k。式（6）為ln（匕-Vt）?t的直線方程，式中匕為H2O2全部分解放出的氧氣體積，反應(yīng)溫度及KI濃度一定時(shí)，它不隨時(shí)間改變。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需要測(cè)定反應(yīng)進(jìn)行到不同時(shí)刻t時(shí)的H2O2分解放出的氧氣體積Vt（若干個(gè)數(shù)據(jù)）和反應(yīng)終了時(shí)H2O2全部分解放出氧氣體積匕（一個(gè)數(shù)據(jù)），以ln（V^-Vt）對(duì)時(shí)間t作圖得一直線，直線斜率為m=-k，用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。匕可采用如下兩種方法求?。?.1.外推法以'、為橫坐標(biāo)對(duì)Vt作圖，將直線段外推至，=0,其截距即為V8加熱法在測(cè)定若干個(gè)Vt數(shù)據(jù)之后，將H2O2溶液加熱至50-60°C約15分鐘，可認(rèn)為H2O2以基本分解。待完全冷卻后，記下量氣管讀數(shù)，即為V8V也可以不測(cè)，由“數(shù)據(jù)處理”中介紹的方法求出反應(yīng)速率常數(shù)處8四.儀器和藥品實(shí)驗(yàn)裝置一套(見(jiàn)下圖)

1.電磁攪拌器4.三通活塞2.錐形5.量器5種實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)劣比較1.電磁攪拌器4.三通活塞2.錐形5.量器5種實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)劣比較瓶3.橡皮塞管6.水位瓶II濱噤n[/1。叭.（） -oh%:TOC\o"1-5"\h\z十= moiM喜羊一 moi>3— 卷十一 卒梁柬三力一 w政沖十一 卬0靈W羊一 皿0§ >將20ml蒸餾水和10ml0.1mol/lKI溶液加入到錐形瓶中，塞緊橡膠塞。試漏如上圖裝置好儀器。旋轉(zhuǎn)三通活塞4于位置a,使系統(tǒng)與外界相通，舉高水準(zhǔn)瓶，使液體充滿(mǎn)量氣管。然后旋轉(zhuǎn)三通活塞到b，使系統(tǒng)與外界隔絕，并把水準(zhǔn)瓶放到最低位置。如量氣管中液面在2分鐘內(nèi)保持不變，即表示系統(tǒng)不漏氣；否則應(yīng)找出系統(tǒng)漏氣的原因，并設(shè)法排除之。讀取量氣管內(nèi)初始?xì)怏w體積V注意0量氣管讀數(shù)時(shí)一定要使水準(zhǔn)瓶和量氣管內(nèi)液面保持同一水平面。打開(kāi)橡膠塞，舉起水準(zhǔn)瓶，使量氣管內(nèi)液面位于零刻度處，啟動(dòng)電磁攪拌。把0.5ml1%HO與10ml蒸餾水混合，然后將其22倒入錐形瓶中，迅速塞緊橡膠塞。再塞緊膠塞的同時(shí)，記下反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)開(kāi)始后每隔2分鐘讀取量氣管讀數(shù)一次，20分鐘后，每隔5分鐘讀取一次，直到量氣管讀數(shù)約為50ml時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。將錐形瓶加熱至50-60°C，并保持大約15分鐘。再將其冷卻至室溫，讀取量氣管氣體體積，即V8實(shí)驗(yàn)完成后，將錐形瓶反應(yīng)器、量筒、移液管用蒸餾水洗凈，搞好實(shí)驗(yàn)臺(tái)衛(wèi)生。

六?數(shù)據(jù)處理(1)列出t、1/t和Vt的數(shù)據(jù)表，并以Vt對(duì)1/t作圖，將直線段外推至1/t=0，取截距即為V實(shí)驗(yàn)溫度，:實(shí)驗(yàn)溫Jn實(shí)驗(yàn)溫度，:實(shí)驗(yàn)溫Jnr/minmin'2 ':6 '48°C⑵、列出t.vro-vt.和lgr=-r＜數(shù)據(jù)表，并以1礦邳對(duì)t作圖得一W實(shí)驗(yàn)溫度°C實(shí)驗(yàn)溫度 °CmindpmlIgS1V衛(wèi)1g2846、計(jì)算在實(shí)驗(yàn)溫度下，H2O2催化分解速率常數(shù)k=-2.303m七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)對(duì)過(guò)氧化氫分解反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果得主要因素有溫度、壓力、催化劑的種類(lèi)和濃度（或質(zhì)量）、攪拌情況及Vt和匕的測(cè)量準(zhǔn)確度。根據(jù)這些影響因素，實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)有：溫度直接影響量氣管中的氣體體積的測(cè)量值，因此除了對(duì)反應(yīng)體系恒溫外，還要對(duì)量氣管進(jìn)行恒溫，恒溫精度要達(dá)到土0.1°C。另外和其它反應(yīng)一樣，在低溫時(shí)Vt測(cè)量間隔可以稍長(zhǎng)，而當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，則Vt的測(cè)量間隔應(yīng)適當(dāng)縮短，以便得到一定數(shù)量的準(zhǔn)確的Vt值。本實(shí)驗(yàn)因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)測(cè)量不同反應(yīng)時(shí)刻放出氧氣的Vt及匕來(lái)求k的數(shù)值，所以需要在恒壓的條件下測(cè)量，而且要保證體系不漏氣。為便于測(cè)量和讀數(shù)，可以考慮采用上文鏈接所示裝置4的水平量氣裝置。催化劑的種類(lèi)和濃度對(duì)過(guò)氧化氫在水溶液中的分解反應(yīng)有較大的影響，而且對(duì)過(guò)氧化氫分解反應(yīng)有催化作用的物質(zhì)很多。所以，過(guò)氧化氫溶液應(yīng)新鮮配制.而且最好是采用二次蒸餾水來(lái)配制。另外，所用催化刑的濃度（或質(zhì)量）應(yīng)準(zhǔn)確，以便和文獻(xiàn)值進(jìn)行對(duì)比。表觀速率常數(shù)k的準(zhǔn)確度直接與Vt和匕的測(cè)量準(zhǔn)確度有關(guān)。為保證Vt和匕的測(cè)量準(zhǔn)確度，所用量氣管的內(nèi)徑和刻度應(yīng)比較均勻；另外，過(guò)氧化氫溶液的初始濃度和體積要選擇合適，使匕大致在30一50ml左右。攪拌對(duì)實(shí)驗(yàn)也有影響。為進(jìn)行比較，攪拌要適當(dāng)，每次實(shí)驗(yàn)的攪拌情況盡量一致。八、實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)條件溫度： 20°C 壓力：1.00868x105Pa反應(yīng)體系：1%H2O2溶液10ml+0.2mol/LKI溶液2ml1%H2O2溶液10ml+0.4mol/LKI溶液2ml下表1與表2分別表示對(duì)應(yīng)于(1)和(2)的Vt與時(shí)間

的關(guān)系

表1表2氧氣體積時(shí)間氧氣體n)(Vt/ml)(t/min)(Vt/0.0000.001.6012.60

23.0025.6034.1038.2056.50410.9089.40513.501011.90718.201214.001024.201416.101328.801617.801531.501819.501733.602020.801834.602323.102036.402524.502237.802826.202539.103027.502841.003529.903041.904032.103543.104333.203843.704533.904044.0045.1045.70對(duì)于反應(yīng)液（1），由作圖法求得的表觀速率常K=0.0311/min對(duì)于反應(yīng)液（2）,則其K=0.0805/min反應(yīng)體系50ml0.1000mol/LHQ+1.5ml1.0mol/LKI溶液，各溫度下的表觀速率常數(shù)如下：t=15°C時(shí)， k=0.0172/mint=25°C時(shí)， k=0.0387/mint=35C時(shí)， k=0.0749/min九、思考題一級(jí)反應(yīng)的特點(diǎn)是什么？反應(yīng)速率常數(shù)k與哪些因素有關(guān)？反應(yīng)過(guò)程中采用電磁攪拌有什么好處？如果攪拌不均勻?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果有無(wú)影響？除用外推法之外，還可以用其它什么方法來(lái)測(cè)定匕？本實(shí)驗(yàn)為什么以膠塞塞緊的瞬間，而不是以H2O2和KI混合的瞬間作為反應(yīng)開(kāi)始時(shí)間？如何檢查體系是否漏氣？如何理解水位瓶、量氣管、水準(zhǔn)管三液面在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)保持一致？習(xí)題詳解十、參考資料1、 郭子成、楊建一等主編，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，P.90北京理工大學(xué)出版社（2004）2、 吳子生主編，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，P.226