實驗14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定

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1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當之處，請指正。 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

2、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，2005 2復(fù)旦大學(xué)等，物理化學(xué)實驗，高等教育出版社，1993 3 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，2006，9，715 4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)

3、速率常數(shù)的測定 一、實驗?zāi)康? 1. 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)

4、+ 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 t=0 時， CA=C0 ；

5、 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

6、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：

7、 co ∝V∞， ct ∝ （V∞－Vt） 將上述關(guān)系代入（14.3）式，得： ln（V∞－Vt）= - kt + ln V∞ (14.4) 如果以ln（V∞－Vt）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（V∞－Vt）～ -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

8、時H2O2全部分解放出的氧氣體積V∞（一個數(shù)據(jù)），以ln（V∞－Vt）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），2

9、ml移液管1支，25ml移液管1支，1.0mol／dm3KI水溶液，3℅H2O2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

10、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Vt－t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

11、，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；

12、 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/min 0 2 4 6 8 10 12 14 O2體積Vt /cm3 0 3.15 5.04 7.54 10.33 12.10 16.48 18.55 時間t/min 16 18 20 22 24 26 28 30 O2

13、體積Vt /cm3 20.40 22.23 24.09 25.73 27.36 28.97 30.24 31.30 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：

14、 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21

15、2～215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/cm3 dVt/dt ln(dVt/dt) 0 0 0 -0.4238 2 3.15 3.052 2.481 1.422 0.3523 4 5.04 4.883 5.265 1.362 0.3093 6 7.54 7.306 7.930 1.303 0.2643 8 10.33 10.01 10.48 1.243 0.2173

16、10 12.1 11.72 12.90 1.183 0.1679 12 16.48 15.97 15.21 1.123 0.1159 14 18.55 17.97 17.39 1.063 0.06111 16 20.4 19.77 19.46 1.003 0.003135 18 22.23 21.54 21.41 0.9433 -0.05841 20 24.09 23.34 23.23 0.8834 -0.1240 22 25.73 24.93 24.94 0.8235 -0.1942 24 27.36 2

17、6.51 26.53 0.7636 -0.2697 26 28.97 28.07 27.99 0.7037 -0.3514 28 30.24 29.30 29.34 0.6439 -0.4403 30 31.3 30.33 30.57 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. 若用加熱法獲得V∞，以ln(V∞－Vt)對t 作圖，再求速率常數(shù)，其V∞、Vt 必須用公式 V校正 = V測量（1－P水/P大氣）進行校正嗎？ 答：不需要校正。因為校正系數(shù)1－P水/P大氣不變。 3.加入3%H2O2的量的多少對測定速率常數(shù)有否影響？KI的量呢？ 答：H2O2的量的多少對測定速率常數(shù)無影響，催化劑KI的量有影響。 8 / 8