實驗14 過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定.doc

河 北 科 技 大 學(xué) 教 案 用 紙第 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?. 測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 =kcKIcA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=kcKI, 將上式分離變量積分： 當 t=0 時， CA=C0 ； t=t 時， CA=C t;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，間接測量濃度變化。此種物理化學(xué)的實驗方法最大的優(yōu)點是可以跟蹤系統(tǒng)某組分或各組分的物理性質(zhì)的變化，從而，不需要終止反應(yīng)，便可以隨時測定某一時刻反應(yīng)系統(tǒng)某組分或各組分的濃度。 在H2O2催化分解過程中t時刻H2O2的濃度可通過測量相應(yīng)的時間內(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。令V表示H2O2全部分解放出的氧氣的體積，V t表示H2O2在t時刻分解放出的氧氣體積，則： co V， ct （VVt）將上述關(guān)系代入（14.3）式，得： ln（VVt）= - kt + ln V (14.4)如果以ln（VVt）對t 作圖得一直線，即驗證是一級反應(yīng)；由直線斜率m可求出速率常數(shù)k，m = - k 。 (14.4)為ln（VVt） -t的直線方程，式中V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，它不隨時間改變。實驗過程中只需要測定反應(yīng)進行的不同時刻t時H2O2分解放出的氧氣體積t(若干個數(shù)據(jù))和反應(yīng)終了時H2O2全部分解放出的氧氣體積V（一個數(shù)據(jù)），以ln（VVt）對t作圖得一直線，直線斜率為k，用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。V也可以不測，由“數(shù)據(jù)處理”中介紹的方法計算得到。因數(shù)據(jù)是等時間間隔記錄，按拉格朗日中值定理可知， (14.5)則有 （14.6）由此作出ln(dVt/dt)t圖，數(shù)據(jù)結(jié)果具有很強的線性規(guī)律，求出直線的斜率m即可得到其反應(yīng)速率常數(shù)k/min-1=m。三、儀器和藥品實驗裝置一套（圖14.1過氧化氫催化分解反應(yīng)實驗裝置），2ml移液管1支，25ml移液管1支，1.0moldm3KI水溶液，3H2O2水溶液，表一塊，反應(yīng)器（錐形瓶）一只，備用針頭一個,蒸餾水瓶一個。四、實驗步驟 1. 按圖14.1安裝好實驗裝置。圖14.1 過氧化氫催化分解裝置圖1量氣管；2玻璃旋塞；3裝有肥皂液的膠頭；4單向鼓氣球；5磁力攪拌器；6恒溫水浴槽；7反應(yīng)器；8溫度計2. 反應(yīng)器7中放入攪拌子，加入蒸餾水50ml；并移取3ml3% H2O2溶液，同時放入反應(yīng)器7中。3. 取下醫(yī)用注射器，注射器上按上備用針頭，吸取多于3ml的KI溶液（1moldm-3）將醫(yī)用注射器中的KI溶液在備用錐形瓶中推至3ml處；拔下備用針頭，將醫(yī)用注射器按裝在注射針頭上，塞緊膠塞。4潤濕量氣管1（皂沫流量計）。潤濕時，一只手夾住另一邊的皮管2，慢慢壓氣（不能著急），一直到量氣管頂端。5. 測量反應(yīng)開始后反應(yīng)系統(tǒng)中不同時刻氧氣體積。開動磁力攪拌器5，并將醫(yī)用注射器中3mlKI溶液推入反應(yīng)器（錐形瓶），與其中的H2O2溶液混合，同時開始讀表計時。反應(yīng)即在室溫下開始進行。每隔2分鐘讀取一次量氣管收集的氧氣體積數(shù)據(jù)，持續(xù)反應(yīng)30分鐘，讀取16組時間t與體積Vt數(shù)據(jù)。6檢驗數(shù)據(jù)，作Vtt的草圖。7倒掉廢液，清洗玻璃儀器和針頭，整理實驗臺。五、實驗注意事項1. 反應(yīng)開始前，先開啟攪拌器，再加入催化劑，注意順序！加入催化劑要一次完成！2. 攪拌速度要快速，不要有噪音，開始反應(yīng)后，不能隨意調(diào)節(jié)攪拌速度！3. 檢查漏氣，以肥皂泡不向下移動為合格。4. 找一個質(zhì)量好的氣泡（很關(guān)鍵）。5. 從t=0，記錄到t=30分鐘，每隔2分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。6. 量氣管50在下邊，當0看待。記錄累加數(shù)據(jù)。7. 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=101.94 kPa； 測量后 Pd= 101.98 kPa； 平均大氣壓強：101.96 kPa KI溶液原始濃度 c0= 1.0 mol/dm3； KI的反應(yīng)液濃度cd= 0.0536 mol/dm3； H2O2溶液原始濃度c0= 0.88 mol/dm3； H2O2的反應(yīng)液濃度cd= 0.047 mol/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 = Ve-kt (14.5)將上式對時間求導(dǎo)數(shù)得： dVt/dt = kVe-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Vtt 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212215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=0.03mi