實驗14-過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定

河北科技大學(xué)教案用紙第4頁第次課4學(xué)時本次課題（或教材章節(jié)題目）：實驗14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定教學(xué)要求：理解過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)測定的基本原理，掌握磁力攪拌器和皂沫流量計的操作方法，能根據(jù)拉格朗日中值定理，使用不測V∞求取速率常數(shù)。重點：掌握測定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)；掌握通過測量反應(yīng)系統(tǒng)的體積跟蹤反應(yīng)系統(tǒng)濃度從而研究反應(yīng)速率的方法。難點：產(chǎn)生高質(zhì)量肥皂泡的方法；實驗數(shù)據(jù)處理方法的掌握教學(xué)手段及教具：演示講授，實際操作。講授內(nèi)容及時間分配：演示講授實驗原理、實驗步驟及注意事項、數(shù)據(jù)處理0.5h學(xué)生實驗操作3.5h課后作業(yè)對實驗數(shù)據(jù)進行處理，完成實驗報告各項內(nèi)容。參考資料1河北科技大學(xué)物理化學(xué)教研室編，物理化學(xué)實驗，北京理工大學(xué)出版社，20052復(fù)旦大學(xué)等，物理化學(xué)實驗，高等教育出版社，19933郭子成等，用數(shù)據(jù)處理新模型測定H2O2分解的活化能，化學(xué)通報，2006，9，7154郭子成等，簡單一級反應(yīng)數(shù)據(jù)處理的一個新模型，化學(xué)通報，2000，4，47實驗14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定一、實驗?zāi)康臏y定過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)；2.掌握通過測量反應(yīng)系統(tǒng)的體積跟蹤反應(yīng)系統(tǒng)濃度從而研究反應(yīng)速率的方法。二、實驗原理過氧化氫在沒有催化劑存在時，分解反應(yīng)進行的很慢。加入催化劑能夠提高分解速率。過氧化氫分解反應(yīng)的化學(xué)計量式如下：H2O2(l)=H2O(l)+1/2O2(g)若以KI為催化劑，在KI作用下催化分解步驟為：KI(l)+H2O2(l)=KIO+H2O(l)（慢）KIO=KI(l)+1/2O2(g)由于第一步的速率比第二步慢得多，所以，第一步為反應(yīng)的控制步驟。因而可以假定其反應(yīng)的速率方程式為：-dcA/dt=k’cKIcA式中，cA為反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)到t時刻H2O2濃度，因KI在反應(yīng)過程中濃度不變，故上式可簡化為-dIcA/dt=kIcA（14.1）式中k=k’cKI,將上式分離變量積分：當(dāng)t=0時，CA=C0；t=t時，CA=Ct;定積分式為：（14.2）積分結(jié)果：（14.3）式是的直線方程。反應(yīng)進行過程中，測定不同時刻t時反應(yīng)系統(tǒng)中氧氣的濃度ct，取得若干組ct、t的數(shù)據(jù)后，以lnct對t作圖，得一直線，表明該反應(yīng)為一級反應(yīng)（準(zhǔn)一級反應(yīng)），直線斜率為-k。物理化學(xué)的研究方法是采用物理的方法測定反應(yīng)系統(tǒng)某組分的濃度，所謂物理的方法是利用反應(yīng)系統(tǒng)某組分或各組分的某些物理性質(zhì)（如體積、壓力、電動勢、折光率、旋光度等）與其有確定的單值函數(shù)關(guān)系的特征，通過測量系統(tǒng)中該物理性質(zhì)的變化，間最后記錄好數(shù)據(jù)后，求出相鄰兩數(shù)據(jù)的差值備查。六、實驗記錄實驗溫度：測量前T0=25.1℃；測量前Td=24.9℃；平均溫度Tm=25℃大氣壓強：測量前P0=101.94kPa；測量后Pd=101.98kPa；平均大氣壓強：101.96kPaKI溶液原始濃度c0=1.0mol/dm3；KI的反應(yīng)液濃度cd=0.0536mol/dm3；H2O2溶液原始濃度c0=0.88mol/dm3；H2O2的反應(yīng)液濃度cd=0.047mol/dm3。表14.1實驗數(shù)據(jù)記錄表時間t/min02468101214O2體積Vt/cm303.155.047.5410.3312.1016.4818.55時間t/min1618202224262830O2體積Vt/cm320.4022.2324.0925.7327.3628.9730.2431.30七、實驗數(shù)據(jù)處理1.實驗數(shù)據(jù)的校正由于反應(yīng)體系有水存在，故計量的氧氣體積中有水蒸氣存在，因此需要校正，扣除水蒸氣。校正公式為：2．不測V∞求取速率常數(shù)(參見郭子成等，簡單一級反應(yīng)數(shù)據(jù)處理的一個新模型,化學(xué)通報,2000，63（4），47)的方法。將(14.4)式變形為：V∞-Vt=V∞e-kt(14.5)將上式對時間求導(dǎo)數(shù)得：dVt/dt=kV∞e-kt（14.6）再取對數(shù)得：ln（dVt/dt）=ln(kV∞)－kt（14.7）顯然，以ln（dVt/dt）對t作圖得一直線，由直線的斜率即可求得k。具體作法是：將測得的Vt～t數(shù)據(jù)作圖并進行圓滑處理，在圓滑后的曲線上用鏡面法求不同時刻t時的dVt/dt值，有了dVt/dt數(shù)據(jù)，即可按本法獲取速率常數(shù)。dVt/dt值也可按等面積圖解微分法在圓滑曲線上取值獲得，具體方法見《物理化學(xué)》第四版，第212～215頁例11.3.1（王正烈等編，高等教育出版社出版）。表14.2不測V∞數(shù)據(jù)處理記錄表1時間t/min校前O2體積V/cm3校后O2體積V/cm3圓滑后O2體積V/cm3dVt/dtln(dVt/dt)000-0.423823.153.0522.4811.4220.352345.044.8835.2651.3620.309367.547.3067.9301.3030.2643810.3310.0110.481.2430.21731012.111.7212.901.1830.16791216.4815.9715.211.1230.11591418.5517.9717.391.0630.061111620.419.7719.461.0030.0031351822.2321.5421.410.9433-0.058412024.0923.3423.230.8834-0.12402225.7324.9324.940.8235-0.19422427.3626.5126.530.7636-0.26972628.9728.0727.990.7037-0.35142830.2429.3029.340.6439-0.44033031.330.3330.57直線的斜率m=-0.03，所以反應(yīng)的速率常數(shù)k=-m=0.03min-1。八實驗思考練習(xí)⒈如何檢查漏氣？答：觀察幾分鐘，產(chǎn)生的肥皂泡不下降。2.若用加熱法