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实验3 过氧化氢催化分解速率常数的测定

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实验三 过氧化氢催化分解速率常数的测定

一、实验目的

1、测定一级反应速率常数k,验证反应速率常数k与反应物浓度无关。 2、通过改变催化剂浓度试验,得出反应速率常数k与催化剂浓度有关。

二、实验原理

H2O2在常温的条件下缓慢分解,在有催化剂的条件下,分解速率明显加快,其反应的方程式为:

H2O2= H2O+1/2O2

在有催化剂(如KI)的条件下,其反应机理为:

H2O2 + KI → KIO + H2O

KIO → KI + O2

(1) (2)

其中(1)的反应速度比(2)的反应速度慢,所以H2O2催化分解反应的速度主要由(1)决定,如果假设该反应为一级反应,其反应速度式如下:

?dcH2O2/dt?k'cKIcH2O2

(3)

在反应的过程中,由于KI不断再生,故其浓度不变,与k'合并仍为常数,令其等于k上式可简化为:

?dcH2O2/dt?kcH2O2

(4)

积分后为:

ln(ct/c0)??kt

式中:

(5)

c0——H2O2的初始浓度;

ct——反应到t时刻的H2O2浓度;

k——KI作用下, H2O2催化分解反应速率常数。

反应速率的大小可用k来表示,也可用半衰期t1/2来表示。半衰期表示反应

物浓度减少一半时所需的时间,即c?c0/2,代入(5)式得:

t1/2=(ln2)/k

关于t时刻的H2O2浓度的求法有许多种,本实验采用的是通过测量反应所生成的氧的体积量来表示,因为在分解的过程中,在一定时间内,所产生的氧的体积与已分解的H2O2浓度成正比,其比例常数是一定值即

1H2O2?H2O?O2

2t?0 c0 0 0

t?t ct?c0?x x

1x 2ct?K(V??Vt)

c0?KV?

式中:

V?——H2O2全部分解所产生的氧气的体积;

Vt——反应到t时刻时所产生的氧气的体积;

x——反应到t时刻时,H2O2已分解的浓度。

其中K为比例常数,将此式代入速率方程式中,可得到:

ln(ct/c0)?ln(V??Vt)/V???kt

即:

ln(V??Vt)??kt?lnV?

如果以t为横坐标,以ln(V??Vt)为纵坐标,若得到一直线,即可验证H2O2催化分解反应为一级反应,由直线的斜率即可求出速率常数k值。

而V?可通过测定H2O2的初始浓度计算得到。公式如下:

V??式中:

cH2O2VH2O2RT2p

(6)

p——氧的分压,由大气压减去该实验温度下水的饱和蒸气压(查表);

cH2O2—— H2O2的初始浓度;

VH2O2——实验中所取用的H2O2的体积;

R——气体常数; T——实验温度K。

三、实验仪器与试剂

1、仪器:

氧气的测量装置 秒表

1套 1块 1个 2支 1支 1支 1个 3个

2个

图1 实验反应装置图

水平管量气管三通 10ml量筒 25 ml移液管 10ml移液管 5 ml移液管

100 ml容量瓶 150 ml锥形瓶 250 ml锥形瓶 2、试剂:

1.5 mol/L 的H2O2 溶液50ml(170ml30% H2O2至1L) 0.1 mol/L 的KI 溶液100ml(16.6gKI至1L)

四、实验步骤

1、装好仪器(图1)。熟悉量气管及水平管的使用,使锥形瓶与量气管相通,造成液差,检查系统是否漏气。

2、固定水平管使量气管内水位固定在“0”处,转动三通活塞使量气管与锥形瓶连通。

3、用移液管取25 ml 0.1 mol/L KI 及5 ml 蒸馏水注入洗净烘干的锥形瓶中(为什么要干的?),并加入电磁搅拌子。

4、用移液管取5 ml H2O2注入瓶中,速将橡皮塞塞紧,开动电磁搅拌器,同时开动秒表计时,此后保持量气管与水平管中的水在同一平面上,每放出5 ml氧气记录一次时间,至放出50 ml氧气为止。

5、按照同样方法,改变药品用量做以下实验:

(1)25 ml 0.1 mol/L KI 加10 ml H2O2。 (2)25 ml 0.05 mol/L KI 加10 ml H2O2。

五、实验数据记录与处理

1、反应物的组成:

CKI/ mol.L-1 VKI/ml Ⅰ Ⅱ Ⅲ VH2O2/ml VH2O/ml

2、各组反应实验记录: 时间t/min Ⅰ Ⅱ Ⅲ ln〔(V∞-Vt)/ ml〕 5 ml H2O2 10 mlH2O2 VO2/ml 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 k/min-1 t1/2/min

3、求V∞:

方法一:利用公式(6)进行计算;

方法二:以Vt为纵坐标,时间1/t为横坐标作图,将直线外推至1/t=0处,其交点即为V∞。

4、将三组结果分别以ln(V∞-Vt)(单位ml)为纵坐标,t(单位min)为横坐标作图,由直线斜率m求反应速度常数k值及半衰期t1/2,并将结果填入上表。

5、从实验结果回答以下问题: (1)k值与所用H2O2浓度的关系。 (2)t1/2(半衰期)与H2O2浓度的关系。 (3)k值与所用KI浓度的关系。

六、思考题

1、本实验中,还有什么方法可以求得t时刻的H2O2浓度? 2、在反应的过程中,搅拌起什么作用,搅拌情况为什么均应相同? 3、H2O2催化分解为什么是一级反应?一级反应的特征是什么?如何由作图法求反应速度常数k?

4、分析反应速度常数k与哪些因素有关?这些因素与你在实验中所得的k值有何关系?

实验3 过氧化氢催化分解速率常数的测定

实验三过氧化氢催化分解速率常数的测定一、实验目的1、测定一级反应速率常数k,验证反应速率常数k与反应物浓度无关。2、通过改变催化剂浓度试验,得出反应速率常数k与催化剂浓度有关。二、实验原理H2O2在常温的条件下缓慢分解,在有催化剂的条件下,分解速率明显加快,其反应的方程式为:H2O2=H2O
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