Порядок выполнения работы. Изучение скорости разложения пероксида водорода газометрическим методом: гомогенный и

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ НЕФТИ И ГАЗА

КАФЕДРА ХИМИИ

 

 

Лабораторная работа

 

Изучение скорости разложения пероксида водорода газометрическим методом: гомогенный и

Гетерогенный катализ

 

Лабораторные работы по физической химии

для студентов института геологии нефти и газа

обучающихся по специальности 020100 «Химия»

Курс III, семестр 6

Ханты-Мансийск·2009

Лабораторная работа №5

Изучение скорости разложения пероксида водорода газометрическим методом:

гомогенный и гетерогенный катализ

Цель работы: определить несколькими методами порядок реакции, аналитически и графически определить среднюю константу скорости при различных концентрациях катализатора.

 

Общие положения

Пероксид водорода в водных растворах самопроизвольно медленно разлагается по уравнению:

2Н₂О₂ ® 2H₂O + O₂.

В присутствии катионов и анионов некоторых органических веществ, а также ряда твердых веществ разложение перексида водорода (H₂O₂) значительно ускоряется. Следовательно, эта реакция в водных растворах может быть гомогенной и гетерогенной каталитической реакцией в зависимости от взятого катализатора.

Механизм реакции включает следующие стадии:

Катализ разложения H₂O₂ хлоридом железа (III) происходит по общей схеме:

А + К—[АК] (первая стадия),

[АК] — В + К (вторая стадия),

где А – перексид водорода, К – катализатор.

Равновесие устанавливается быстро, и скоростьопределяющей стадией является распад [AK].

Аналитический способ определения порядка реакции

Порядок реакции по концентрации H₂O₂– первый (или близкий к первому) и для расчета константы скорости используют уравнение:

.

Подставляя в это уравнение опытные значения концентрации исследуемого вещества в разные моменты времени протекания реакции, вычисляем k. Если расчетные k остаются постоянными, то это означает, что порядок реакции по этому веществу равен единице.

Начальная и текущая концентрации H₂O₂ пропорциональны объемам кислорода, выделившегося к концу реакции V _¥ и разности между V _¥ и текущим объемом кислорода V_t. В соответствии с этим, уравнение для расчета константы скорости в данном случае примет следующий вид:

Графический способ определения порядка реакции

при n = 1,

при n = 2,

при n = 3.

Как видно из этих уравнений, график, построенный по опытным данным для концентраций рассматриваемого исходного вещества в разные моменты времени протекания реакции, будет выражаться прямой линией в разных координатах в зависимости от порядка данной реакции по веществу. А именно, при n = 1 – в координатах ln с – t; при n = 2 – в координатах – t; при n = 3 – в координатах – t. Если, например, график, построенный по опытным данным, оказался прямолинейным на графике в координатах – t, то это означает, что порядок реакции по рассматриваемому веществу составляет три.

К реакциям первого порядка относятся реакции, в которых концентрация одного из реагирующих веществ остается постоянной. Для реакции типа скорость выражается уравнением

или .

Разделив переменные, , после интегрирования получим:

.

Если t = 0, то с = с _о. Тогда const = ln с _o и можно записать:

,

где с _о= V _∞, с =(V _∞– V _t).

Следовательно

,

то есть график в координатах ln с – t будет линейным; по углу наклона этого графика можно оценить k.

Для проверки порядка реакции графическим способом (только для гомогенного катализа) строят график ln(w ¢)= f [ln(V_¥ – V_t)]. На этом графике должна получиться прямая линия, угловой коэффициент которой в соответствии с уравнением lg w =lg k + n lg c должен быть равен порядку реакции, поскольку коэффициент пропорциональности между w ¢ и w тот же, что и между (V_¥ – V_t) и c (Н₂О₂). Свободный член полученной зависимости равен ln k только в том случае, если получился порядок равный единице, в ином случае значение свободного члена зависит от порядка реакции и коэффициента пропорциональности между (V_¥ – V_t) и c (Н₂О₂).

Рис. 1. График зависимости логарифма концентрации от времени
для реакции первого порядка

Для нахождения значений w’ необходимо построить график (V_¥ – V_t) = f (t), т.е. кинетическую кривую, причем следует иметь в виду, что по оси ординат отложена не концентрация, а пропорциональная ей величина. Не менее чем для трех произвольно выбранных значений времени на этом графике найти значения производной

,

проведя касательные к выбранным точкам и определив их тангенс наклона. Полученные таким образом значения производной w ¢ не равны, но пропорциональны значениям скорости w в выбранные моменты времени. Касательные на кинетической кривой проводятся не к экспериментально определенным точкам (производная к точке и, соответственно, касательная к точке – бессмысленные понятия), а к сглаженной линии, наилучшим образом проходящей через экспериментальные точки.

 

Реактивы и оборудование: 3%-ный раствор хлорида железа (III); 3%-ный раствор пероксида водорода; оксид алюминия (III); оксид марганца (IV); 3%-ный раствор иодида калия; водяная баня – 1 шт.; термометр до 100°С – 1 шт.; установка для газометрических измерений – 1 шт.; градуированная пипетка на 10 мл – 2 шт.; секундомер – 1 шт.

 

Порядок выполнения работы

Для изучения скорости разложения пероксида водорода используют установку, показанную на рисунке 2, которая позволяет измерять объем выделяющегося кислорода.

В одно колено реактора 1 с помощью пипетки помещают 10 мл 3%-ного раствора пероксида водорода, а во второе – 0,5 мл раствора хлорида железа (III) и с помощью пробки соединяют реакционный сосуд с мерной бюреткой.

Перед началом эксперимента проверяют герметичность системы. Для этого с помощью трехходового крана 3 соединяют измерительный сосуд 4 одновременно с реакционным сосудом 1 и с атмосферой. Поднимают уравнительный сосуд 5, чтобы заполнить бюретку жидкостью до нулевой отметки, после чего соединяют бюретку 4 только с реакционным сосудом 1 и опускают сосуд 5 примерно на четверть высоты бюретки. Если обеспечена герметичность, то уровень затворной жидкости в бюретке 4, опустившись на небольшую величину, должен остановиться, не достигнув уровня жидкости в уравнительном сосуде и должен оставаться неизменным в течение 2-3 минут. После этого при поднимании уравнительного сосуда до уровня жидкости в бюретке, последний должен вновь вернуться к нулевой отметке.

Рис. 2. Схема установки для изучения скорости разложения пероксида водорода:

1 – реакционный сосуд; 2 – пробка, соединяющая реакционный сосуд с мерной бюреткой;
3 – трехходовой кран; 4 – мерная бюретка, 5 – уравнительный сосуд, 6 – термостат.

 

После проверки герметичности приступают к выполнению эксперимента. Для этого пероксид водорода переливают в колено с катализатором, реакционный сосуд 1 встряхивают несколько раз для более полного перемешивания. Время смешения принимают за время начала реакции. Кислород, выделяющийся в ходе реакции, будет вытеснять жидкость из мерной бюретки. Фиксируют объем выделившегося кислорода в зависимости от времени протекания реакции. Измерения проводят через 1, 2, 4, 6, 10, 15, 20 … минут от начала реакции. При измерениях уровень жидкости в уравнительном сосуде 5 поддерживают на уровне жидкости в мерной бюретке 4. Измерения заканчивают, если в течение 10 мин объем кислорода не увеличивается.

Если в ходе реакции возникает риск, что объем мерной бюретки окажется недостаточным, следует произвести последний замер объема и по возможности быстро с помощью крана 3 соединяют бюретку 4 с атмосферой. С помощью сосуда 5 устанавливают уровень жидкости в бюретке на нулевой отметке и вновь краном 3 соединяют реакционный сосуд 1 только с бюреткой 4. Продолжают измерения, прибавляя объем кислорода, выпущенного в атмосферу (значение последнего измерения перед соединением бюретки с атмосферой).

По окончанию процесса выделения пузырьков кислорода приступают к определению V_¥. Для этого реакционный сосуд 1 помещают в водяную баню с температурой воды 70-80°С и выдерживают его при этой температуре до тех пор, пока объем выделившегося кислорода не будет оставаться постоянным в течение 5-10 минут. В этот момент можно считать, что реакция полностью завершилась, однако измерение значения V_¥ следует производить только после извлечения реакционного сосуда водяной бани и приведения его к прежней температуре.

Опыты повторяют, увеличивая объем раствора катализатора до 1,0 и 1,5 мл.

Результаты опытов и расчетов оформляют в виде таблиц, предваряя их следующими данными.

Температура опыта…………………………………………°С

Объем пероксида водорода..………………………………мл

Концентрация пероксида водорода..………………………%

Объем раствора катализатора……………………………..мл

Концентрация катализатора………………………………..%

Объем кислорода по окончанию реакции V_¥………….…мл

Таблица 1

Выделение кислорода во времени и определение

константы скорости разложения пероксида водорода

№	t, мин	Vt	(V∞-Vt)	ln(V∞-Vt)	k, мин-1

Аналогичный опыт проделывают с твердым катализатором, в качестве которого используют 0,5 г оксида алюминия (III) или оксида марганца (IV) (по указанию преподавателя).