實(shí)驗(yàn)2 過氧化氫分解反應(yīng)動力學(xué)-不標(biāo)定濃度

1、實(shí)驗(yàn)二過氧化氫分解反應(yīng)動力學(xué)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.熟悉一級反應(yīng)特點(diǎn)，了解反應(yīng)物濃度、溫度、催化劑等因素對一級反應(yīng)速度的影響。2用靜態(tài)法測定H2O2分解反應(yīng)的速度常數(shù)和半衰期。3. 掌握量氣技術(shù)，學(xué)會用圖解計(jì)算法求出一級反應(yīng)的速度常數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理：凡是反應(yīng)速度只與反應(yīng)濃度的一次方成正比的反應(yīng)稱為一級反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，過氧化氫的反應(yīng)機(jī)理為一級反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)速度取決于反應(yīng)物的濃度、溫度、反應(yīng)壓力、催化劑、攪拌速度等許多因素。過氧化氫在沒有催化劑存在時(shí)，分解反應(yīng)進(jìn)行的很慢。許多催化劑如Pt、Ag、MnO2、FeCI3、碘化物等都能加速H2O2分解。過氧化氫分解反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式如下：h2°2(i)

2、=H2O(1)+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'式中，cA為反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)到t時(shí)刻H2O2濃度，因KI在反應(yīng)過程中濃度不變,故上式可簡化為-dcA/dt=kcA（2.1）式中k=k'cKI,將上式分離變量積分：當(dāng)t=0時(shí)，CA=C0;t=t時(shí)，CA=Ct；定積分式為：-J=Jtkdt(2.2)C0CA0積分結(jié)果:Inc二一kt+Inc(2.3)t

3、0式是Inct的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過程中，測定不同時(shí)刻t時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中H2O2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。在h2o2催化分解過程中t時(shí)刻h2o2的濃度可通過測量相應(yīng)的時(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。令V表示h2o2全部分解放出的氧氣的體積，Vt表示h2o2在t時(shí)刻分解放出的氧氣體積，貝V:nC二00VH2022P-V;RTVfH2。2C*Vf,fn-n2Pc=cc=0盧二Ot0t'VRTVH202H202cty（VfVt）/將上述關(guān)

4、系代入(14.3)式，得:ln(VfV)=-kt+lnVf(2.4)ftJ如果以ln(VfVt)對t作圖得一直線，即驗(yàn)證是一級反應(yīng)；由直線斜率m可求出速率常數(shù)k，m=-k。(2.4)為ln(VfVt)t的直線方程，式中Vf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)過程中只需要測定反應(yīng)進(jìn)行的不同時(shí)刻t時(shí)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全部分解放出的氧氣體積Vf(個(gè)數(shù)據(jù))，以ln(VfVt)對1作圖得一直線，直線斜率為一k,用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。Vf可米用下面兩種方法來求得：(a) 外推法：以1/t為橫坐標(biāo)，對匕作圖，將

5、直線外推至1/t=0,其截距即。(b) 加熱法：在測定若干個(gè)Vt數(shù)據(jù)后，將H2O2加熱至5060°C約15分鐘，可認(rèn)為h2o2已基本分解完畢，待溶液冷卻到實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，讀出量氣管讀數(shù)即為V，同學(xué)們可自擇二者之一，與滴定結(jié)果作對照。1當(dāng)c=1c時(shí)，t可用t1/2表示，即為反應(yīng)的半衰期.t201/2由(2.3)式變換得:cIn十=-kt（2.5）c0In20.693“廠、t=（2.6）1 kk2從式（2.6）可見，在溫度一定時(shí)，一級反應(yīng)的半衰期應(yīng)與反應(yīng)的速度常數(shù)成反比，而與反應(yīng)物的初始濃度無關(guān)。三、儀器和藥品：1. 儀器：H2O2分解速率測定裝置；滴定管；秒表；移液管（5、10、20ml）

6、；錐形瓶（150、250ml）。2. 藥品：H2O2溶液（現(xiàn)配，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）；KI固體；H2SO4溶液（3.0mol/L）KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.05mol/L）。四、實(shí)驗(yàn)步驟（濃度不用標(biāo)定，直接按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%換算成摩爾濃度）（一）配制試劑；（二）按圖2-1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；（三）測量過程；1. 試漏：將水準(zhǔn)球內(nèi)加水，2/3容積為準(zhǔn)，使水位與量氣管滿刻度處齊平。（打開三通活塞，使大氣與量氣管相通）。與此同時(shí)調(diào)節(jié)恒溫槽溫度。2. 調(diào)節(jié)恒溫槽溫度：在1000ml燒杯中加入250ml水，水溫控制在25°C左右并使在實(shí)驗(yàn)中能夠基本恒定。燒杯放在攪拌器座上。夾好測溫用溫度計(jì)。3. 用移液管移

7、取己恒溫至25C的10ml水放入潔凈干燥的錐形瓶中，再移取10ml已恒溫到同樣溫度的H2O2注入到錐形瓶中。將已準(zhǔn)確稱量好的KI試劑0.160克小心放在液面上勿使KI與液面接觸，最后塞好橡皮塞，進(jìn)行試漏。4. 把錐形瓶小心的放入恒溫槽，將三通活塞4旋與大氣、量氣管都相通，舉高水準(zhǔn)球使量氣管充滿水，然后再旋活塞4切斷與大氣的通路，但仍使系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)通，將水準(zhǔn)瓶放到最低位置，若量氣管中水位在2分鐘內(nèi)保持不變，說明系統(tǒng)不漏氣，可以進(jìn)行分解反應(yīng)。5. 旋動三通活塞與大氣相通，使水面在量氣管的頂部刻度處，然后切斷大氣通路，打開攪拌器開關(guān)，同時(shí)記下時(shí)間，此時(shí)KI容器傾倒，KI溶于H2O2溶液中，分解反應(yīng)開始

8、，當(dāng)02開始釋放出后應(yīng)隨時(shí)保持水準(zhǔn)瓶和量氣管液面在一水平線上。定時(shí)（每1.0分鐘或30秒）讀出量氣管中氣體體積（或定體積地讀出反應(yīng)時(shí)間，每5mL讀一次）。直到量氣管中02體積超過50mL。6. 選用加熱求£時(shí)，接通電源使水浴升溫，溫度可達(dá)到50°C,刻鐘后從水浴中移出反應(yīng)瓶，冷卻至室溫后讀出量氣管讀數(shù)V和T（k）,記下當(dāng)時(shí)的大氣壓力,計(jì)算出V，。圖2-1H2O2分解速率測定裝置（在注入溶液前先將攪拌子放入錐形瓶中）。1-磁力攪拌器；2-錐形瓶；3-橡皮塞；4-三通活塞；5-量氣管；6-水準(zhǔn)瓶五、數(shù)據(jù)記錄和處理1.數(shù)據(jù)記錄：時(shí)間/mino2氣體體積V/mlt024681032

9、2.根據(jù)H2O2的初始濃度計(jì)算片，列出t、匕、（Vf-Vt）及l(fā)n（V-Vt）表。根據(jù)C-VRTV=-H°2H2°2-f2PO2T/minV/mlln(Vf-Vt)024681012141618323以ln（t-匕）對丫作圖，求出曲線斜率及k。計(jì)算反應(yīng)的半衰期t2。六、思考題1、讀取氧氣體積時(shí)，為什么量氣管與水準(zhǔn)瓶中水面要處于同一水平面？答：反應(yīng)開始前量氣管里水面所受的壓力與水準(zhǔn)瓶水面所受的壓力是一樣的，都是P。反應(yīng)開始后，由于氧氣的產(chǎn)生，水面所受的壓力增大而降低。讀取氧氣體積時(shí)，使量氣管及水準(zhǔn)瓶中水面處于同一水平面，就是繼續(xù)保持兩邊液面上的壓力相等，這樣測出來的氣體體積才是當(dāng)時(shí)大氣壓下的體積。附錄：標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制與標(biāo)定1. 0.05mol/LKMnO4的配制：稱取14gKMnO4（分析純）于燒杯中，分次溶解（可加熱）稀釋至2000ml，放在暗處，2一3天后標(biāo)定。2. 3mol/LH2SO4的配制：先量取833mlH2O于瓶中，慢慢倒入16.7mlH2SO4（濃）。3. 2%H2O2:將60ml34%H2O2稀釋至1000ml。4. KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定：稱取0.120.19g草酸（準(zhǔn)確至小數(shù)點(diǎn)后四位）于2