過氧化氫的催化分解

1、過氧化氫的催化分解一、實(shí)驗(yàn)原理過氧化氫水溶液在室溫下，沒有催化劑存在時(shí)，分解反應(yīng)進(jìn)行得很慢，但在含有催化劑I的中性溶液中，其分解速率大大加快，反應(yīng)式為：2H2O2 = 2H2O + O2(g) 反應(yīng)機(jī)理為： H2O2 + I H2O + IO k1 (慢) (1) H2O2 + IO H2O + O2(g) + I k2 (快) (2)整個(gè)分解反應(yīng)的速率由慢反應(yīng)(1)決定，速率方程為： 因反應(yīng)(2)進(jìn)行得很快且很完全，I的濃度始終保持不變，故上式可寫成： 式中，k為表觀反應(yīng)速率常數(shù)。將上式積分得 此式表明，反應(yīng)速率與H2O2濃度的一次方成正比，故稱為一級(jí)反應(yīng)。將上式積分得：式中c0、ct分別為

2、反應(yīng)物過氧化氫在起始時(shí)刻和t時(shí)刻的濃度。反應(yīng)半衰期為： 設(shè)H2O2完全分解時(shí)放出O2的體積為V，反應(yīng)t時(shí)放出O2的體積為V，則c0V，c(V V)，故 以ln(V V)對t作圖應(yīng)得一直線，從直線斜率( k)即可求得H2O2分解反應(yīng)的速率常數(shù)。故實(shí)驗(yàn)需測定反應(yīng)不同時(shí)刻O2的體積V及H2O2完全分解時(shí)O2的體積V。V可用下法之一求出。(a) 加熱法 在測定若干個(gè)V數(shù)據(jù)后，將H2O2溶液加熱至5060 約15 min，可以認(rèn)為H2O2已分解完全，待冷卻至室溫后，記下量氣管的讀數(shù)，即為V。(b) 濃度標(biāo)定法 用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液對H2O2原始濃度進(jìn)行標(biāo)定，O2近似按理想氣體處理，則有 式中，為O2的分

3、壓，是外界大氣壓與實(shí)驗(yàn)溫度下水的飽和蒸氣壓之差。二、儀器和試劑量氣裝置 1套（見圖）：恒溫電磁攪拌器/量氣管（含三通活塞和膠管）/水位瓶（以漏斗或量氣管代替），秒表 1塊，移液管（10mL，25mL）各 1支，容量瓶，錐形瓶，酸式滴定管；約H 2O2（3%），KI（0.2mol . dm 3），H2SO4（3mol . dm 3）。 圖1 H2O2分解反應(yīng)速率測量裝置1.電磁攪拌；2.茄形瓶（或錐形瓶）；3.橡膠塞；4.活塞；5.量氣管；6.水準(zhǔn)瓶；7.塑料蓋 三、實(shí)驗(yàn)步驟1按圖所示安裝好儀器裝置，檢查裝置是否漏氣（檢查漏氣時(shí)可觀察量氣管中液面是否隨水位瓶下降而下降）。水位瓶中裝入紅色染料水，

4、其水量要使水位瓶提起時(shí)，量氣管和水位瓶中的水面能同時(shí)達(dá)到量氣管的最高刻度處。試漏。旋轉(zhuǎn)活塞4使量氣管與大氣相通，舉高水準(zhǔn)瓶，使液體充滿量氣管。然后旋緊橡膠塞3，通過反復(fù)調(diào)整水準(zhǔn)瓶和活塞到合適的位置，讓反應(yīng)體系和量氣管相通而與大氣隔絕的情況下，量氣管內(nèi)液面的位置在刻度1.00附近。讀取量氣管液面對應(yīng)的讀數(shù)。然后把水準(zhǔn)瓶放在較低的位置，若量氣管中的液面僅在初始有下降，而在隨后2 min內(nèi)保持不變，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。注意：讀取量氣管讀數(shù)時(shí)務(wù)必使水準(zhǔn)瓶內(nèi)液面和量氣管內(nèi)液面處于同一水平。提示：系統(tǒng)漏氣多發(fā)生在茄形瓶磨口塞處，可涂抹凡士林或真空脂。3用移液管（或滴定管

5、）移取25 mL濃度約為3 %的H2O2溶液放入錐形瓶中，另外移入25 mL蒸餾水，加入磁攪拌子，用吸量管移取5mL 0.2 mol . dm 3 KI放入到小塑料蓋內(nèi)，再用鑷子將其小心放入到盛有H2O2溶液的茄形瓶中，讓蓋子漂浮在液面上，不能讓H2O2接觸到K。 3用手搖動(dòng)茄形瓶，使塑料蓋中的KI(s)與H2O2充分混合，記錄反應(yīng)起始時(shí)間，同時(shí)開啟電磁攪拌開關(guān)，調(diào)節(jié)攪拌速度至中檔。反應(yīng)過程中不斷調(diào)節(jié)水位瓶高低，保持水位瓶與量氣管中水平面一致。量氣管讀數(shù)與零時(shí)刻讀數(shù)之差即為等壓下H2O2分解所放出O2的體積。量氣管內(nèi)O2體積以等時(shí)間間隔讀取一次，若溫度高，反應(yīng)速率快，讀取時(shí)間間隔宜以0.5 m

6、in；若溫度低，反應(yīng)慢，宜以1 min為準(zhǔn)。最后都要測至量氣管中O2的體積增加到50 mL為止。4改變KI或H2O2的濃度（也可改變反應(yīng)溫度），重復(fù)上述步驟，測定H2O2分解速率。表1 濃度對反應(yīng)速率的影響 室溫_實(shí) 驗(yàn) 編 號(hào)試劑用量mL3% H2O225104025250.2 mol·L-1 KI555130.2 mol·L-1 KCl00042H2O2540102525注：由于含有強(qiáng)電解質(zhì)KI的水溶液的離子強(qiáng)度對反應(yīng)速率的影響，若用不同的cKI作實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)外加第三組分（如KCl）以調(diào)節(jié)溶液的離子強(qiáng)度，使它們相同。5過氧化氫的準(zhǔn)確濃度的標(biāo)定。（1）移取實(shí)驗(yàn)用約1mol

7、. dm 3 H2O2 10 mL放入250 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度并搖勻。（2）移取25 mL稀釋后的H2O2溶液放入錐形瓶中，加3 mol . dm 3 H2SO4 5 mL，用0.02mol . dm 3 KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淡紅色為止，讀取消耗KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。重復(fù)三次，取平均值。反應(yīng)式為：5 H2O2 + 2 MnO4 + 6 H+ = 2 Mn2+ + 5 O2 + 8 H2O根據(jù)滴定所用去的KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積即可求得H2O2的原始濃度，繼而可求得V。四、數(shù)據(jù)記錄和處理1記錄反應(yīng)不同時(shí)刻t放出氧氣的體積Vt，用濃度標(biāo)定法求得V。數(shù)據(jù)處理示例T= K；氣壓 p

8、a ；c (H2O2)=3%；c (KI) =0.2mol·L-1；V = mLt/s1/t /s-1t/ mL（-t）/ mLln（-t）2以ln(V V)對t作圖，從直線斜率( k)求得H2O2分解反應(yīng)的速率常數(shù)k。3動(dòng)力學(xué)方程式的建立有微分法和積分法兩種方法。積分法：如本實(shí)驗(yàn)所示，若ln(V V)對t作圖為直線即證明這是一級(jí)反應(yīng)，由斜率求得k。微分法：r= -dc/dt = kc，這里r為反應(yīng)速率，c為反應(yīng)物H2O2的濃度，t為時(shí)間，為反應(yīng)級(jí)數(shù)。由此，lnr= lnk +ln c，以lnr 對lnc作圖為直線，斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)，截距為ln k，即可求得反應(yīng)速率系數(shù)k。本

9、實(shí)驗(yàn)令，即設(shè)催化劑KI反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)。如要驗(yàn)證反應(yīng)對cKI 確為一級(jí)反應(yīng)，并求得該反應(yīng)的速率系數(shù) ，還必須以lnk 對lncI-作圖。若得直線的斜率接近1，即證明此反應(yīng)對cKI確為一級(jí)，并可求得k值。4由不同濃度H2O2、KI所得的速率常數(shù)，討論反應(yīng)物、催化劑濃度（或溫度）對反應(yīng)速率的影響。五、注意事項(xiàng)1除KI可作催化劑以外，其它的如Ag、MnO2、FeCl3、Fe2(SO4)3等也都是該分解反應(yīng)的很好的催化劑。2系統(tǒng)不能漏氣。3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！4秒表讀數(shù)必須連續(xù)，切不可中途停表。5攪拌速度要適中，每次實(shí)驗(yàn)的攪拌速度盡量保持一致；開始反應(yīng)

10、后，不能隨意調(diào)節(jié)攪拌速度！6水位瓶移動(dòng)不要太快，以免液面波動(dòng)劇烈。7實(shí)驗(yàn)中V可用化學(xué)分析法測定。先在酸性溶液中用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定求出過氧化氫的起始濃度，滴定反應(yīng)為：再求所用過氧化氫按式(C2-1)完全分解時(shí)產(chǎn)生O2的摩爾數(shù)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程就可以計(jì)算出V，即 (C2-8)式中：p大氣為大氣壓，為實(shí)驗(yàn)溫度下水的飽和蒸汽壓；T為實(shí)驗(yàn)溫度；R為氣體常數(shù)。嚴(yán)格地講，用含水量氣管測量氣體體積時(shí)，都包含著水蒸氣的分體積。若在某溫度時(shí)，水蒸氣已達(dá)飽和，則Vt應(yīng)按下式計(jì)算：水的飽和蒸氣壓 (×102Pa，273.2313.2K)溫度/K0.00.20.40.60.82736.1056.19

11、56.2866.3792746.4736.5676.6636.7596.8582756.9587.0587.1597.2627.3662767.4737.5797.6877.7977.9072778.0198.1348.2498.3658.4832788.6038.7238.8468.9709.0952799.2229.3509.4819.6119.7452809.88110.01710.15510.29510.43628110.58010.72610.87211.02211.17228211.32411.47811.63511.79211.95228312.11412.27812.44312

12、.61012.77928412.95113.12413.30013.47813.65828513.83914.02314.21014.39714.58728614.77914.97315.17115.36915.57228715.77615.98116.19116.40116.61528816.83117.04917.26017.49317.71928917.94718.17718.41018.64818.88629019.12819.37219.61819.86920.12129120.37720.63420.89621.16021.42629221.69421.96822.24522.52

13、322.80529323.09023.37823.66923.96324.26129424.56124.86525.17125.48225.79729526.11426.43426.75827.08627.41829627.75128.08828.43028.77529.12429729.47829.83430.19530.56030.92829831.29931.67232.04932.43232.82029933.21333.60934.00934.41334.82030035.23235.64936.07036.49636.92530137.35837.79638.23738.68339.13530239.59340.05440.51940.99041.46630341.94542.42942.91843.41143.90830444.41244.92345.43945.95846.48230547.01147.54748.08748.63249.18430649.74050.30150.86951.44152.02