实验十五 过氧化氢催化分解
2.3 动力学部分
实验十五 过氧化氢催化分解
1 目的要求
(1) 测定过氧化氢分解的反应速度常数。
(2) 了解用体积法研究动力学的基本原理。
(3) 了解实验测定活化能E的原理和方法。
2 基本原理
过氧化氢在没有催化剂时，分解反应进行得很慢，加入催化剂时能促进其分解。过氧化氢分解的化学计量式如下：
H2O2→H2O+1/2O2
很多物质都能对这一反应起催化作用，如铂、银、铅、二氧化锰、三氯化铁以及三氯化铁和氯化铜的混合物等。本实验是以三氯化铁和氯化铜混合物作催化剂，研究H2O2分解反应的动力学。其中CuCl2是助催化剂，单独使用它，并不能催化该反应。
在本实验条件下，过氧化氢的分解是一级反应。若 以 a 表示H2O2的起始浓度，x表示在时刻 t 时已经分解掉的H2O2的浓度，则所剩余的H2O2的浓度为(a-x)，于是有：
积分上式： ln(a-x)= -k1t + lna
式中k1为反应速率常数，它的大小表征着反应速率的快慢。lna为积分常数，可由t=0，x=0这一边界条件得出。
在H2O2的催化分解中，t 时刻H2O2的浓度Ct 可通过测量在相应的时间内分解放出的氧气的体积得出。因分解过程中放出氧气的体积与分解了的H2O2的浓度成正比，其比例常数为定值。.令V∞ 表示H2O2全部分解放出的氧气体积，Vt 表示H2O2在 t 时刻分解放出的氧气的体积，则：
C0 ∝V∞； Ct∝(V∞-Vt)
式中，C0、Ct分别代表H2O2在t = 0 和 t =t 时的浓度。将上面关系式代入一级反应速率方程的定积分表达式，则有：
或者 lg(V∞-Vt) = - k1t/2.303 + lgV∞,
根据上式，如果以lg(V∞-Vt)对t作图得一直线，即可验证该反应是一级反应。此时由直线的斜率可求出反应速率常数k1。
V∞可由两种方法得出：
(1)实验得出。
(2)公式算出：
计算公式如下：按H2O2分解反应的化学计量式，1mol H2O2放出1/2molO2。在酸性溶液中以KMnO4标准溶液滴定H2O2溶液，V∞则等于：
V∞ =MH2O2·VH2O2·RT/p (m3)
式中：MH2O2·——H2O2的起始摩尔浓度mol·L-1；
V H2O2——H2O2溶液的体积(m 3)；
p——氧气的分压，即大气压减去实验温度下水的饱和蒸气压(Pa)；
T ——实验的热力学温度(K)；
R——气体常数，取8.314J·K-1·mol-1。
由于这种方法需用KMnO4滴定H2O2的浓度，比较麻烦，所以一般都用实验法直接获得。 如果我们改变分解反应的温度，求得不同温度下的反应速率常数k1，则根据阿仑尼乌斯公式，有：
积分后可知，若以lnk对1/T作图，由斜率则可求得在该反应温度范围内的平均活化能。
体积法是研究化学反应动力学的基本方法之一。只要反应过程中体系的体积发生明显的变化，一般都可用这种方法研究该反应的动力学。
3 仪器试剂
恒温槽 1套；秒表 1只；
混合液 0.05mol·L-1FeCl3-0.005mol·L-1CuCl2-0.4mol·L-1HCl；0.2mol ·L-1H2O2
4 实验步骤
(1) 实验装置图如图2.15.1所示。
实验前需检查测量系统是否漏气，为此，打开活塞A，拔开塞子B，提高水准瓶C，使量气管D内的水面升至上部，关闭活塞A，把水准瓶放在桌面上。塞紧塞子B，打开活塞A，任水面自由下落，若降至某一位置保持静止，则证明系统不漏气，即可开始实验。
(2) 拔开塞子B，打开活塞A，提高水准瓶C，使D管内的水平面升至量气管0刻度以上， 关闭A。再调节A，使D管内的水面恰在刻度0的位置。移取20mL H2O2溶液注入B，加入 10mL混合液，随即把塞子塞紧。此时H2O2已开始分解，不断调节活塞A，使量气管内两壁的水面保持相同，当气体放出速度趋于稳定后(约10min)，记下D管内水平面的刻度，同时打开秒表，每5min记录一次D管内水面的位置。记录8个～10个数据。
为得到H2O2全部分解后的体积V∞，将测得8个～10个Vt 后的试管瓶放在80℃水浴中加热，并不断摇动，待反应管内不再有气泡放出为止。取出反应管，仍放回原恒温槽内恒温后，读取量气管内水面刻度，即V∞数值。
图2.15.1 过氧化氢分解装置
本实验可用来求H2O2分解反应的活化能，改变反应温度，分别测定25℃、30℃、35℃、40℃等温度下的速率常数，方法同上。
5 数据处理
(1)可按下列格式记录实验数据。
室温： 大气压： 恒温槽温度： V∞=
（2）以lg(V∞-Vt)为纵坐标，时间t 为横坐标作lg(V∞-Vt) — t图。由直线斜率计算分解反应的速率常数k／min-1。
6 注重事项
(1) 气体的体积受温度和压力影响较大，在实验中要保证所测得的Vt和V∞都是在相同的温度和压力下的数据。
(2 )要真正搞清楚动力学方程中Vt、V∞的含义，这样，在进行数据处理时就不会出现错误。
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2.3 动力学部分
实验十五 过氧化氢催化分解
1 目的要求
(1) 测定过氧化氢分解的反应速度常数。
(2) 了解用体积法研究动力学的基本原理。
(3) 了解实验测定活化能E的原理和方法。
2 基本原理
过氧化氢在没有催化剂时，分解反应进行得很慢，加入催化剂时能促进其分解。过氧化氢分解的化学计量式如下：
H2O2→H2O+1/2O2
很多物质都能对这一反应起催化作用，如铂、银、铅、二氧化锰、三氯化铁以及三氯化铁和氯化铜的混合物等。本实验是以三氯化铁和氯化铜混合物作催化剂，研究H2O2分解反应的动力学。其中CuCl2是助催化剂，单独使用它，并不能催化该反应。
在本实验条件下，过氧化氢的分解是一级反应。若 以 a 表示H2O2的起始浓度，x表示在时刻 t 时已经分解掉的H2O2的浓度，则所剩余的H2O2的浓度为(a-x)，于是有：
积分上式： ln(a-x)= -k1t + lna
式中k1为反应速率常数，它的大小表征着反应速率的快慢。lna为积分常数，可由t=0，x=0这一边界条件得出。
在H2O2的催化分解中，t 时刻H2O2的浓度Ct 可通过测量在相应的时间内分解放出的氧气的体积得出。因分解过程中放出氧气的体积与分解了的H2O2的浓度成正比，其比例常数为定值。.令V∞ 表示H2O2全部分解放出的氧气体积，Vt 表示H2O2在 t 时刻分解放出的氧气的体积，则：
C0 ∝V∞； Ct∝(V∞-Vt)
式中，C0、Ct分别代表H2O2在t = 0 和 t =t 时的浓度。将上面关系式代入一级反应速率方程的定积分表达式，则有：
或者 lg(V∞-Vt) = - k1t/2.303 + lgV∞,
根据上式，如果以lg(V∞-Vt)对t作图得一直线，即可验证该反应是一级反应。此时由直线的斜率可求出反应速率常数k1。
V∞可由两种方法得出：
(1)实验得出。
(2)公式算出：
计算公式如下：按H2O2分解反应的化学计量式，1mol H2O2放出1/2molO2。在酸性溶液中以KMnO4标准溶液滴定H2O2溶液，V∞则等于：
V∞ =MH2O2·VH2O2·RT/p (m3)
式中：MH2O2·——H2O2的起始摩尔浓度mol·L-1；
V H2O2——H2O2溶液的体积(m 3)；
p——氧气的分压，即大气压减去实验温度下水的饱和蒸气压(Pa)；
T ——实验的热力学温度(K)；
R——气体常数，取8.314J·K-1·mol-1。
由于这种方法需用KMnO4滴定H2O2的浓度，比较麻烦，所以一般都用实验法直接获得。 如果我们改变分解反应的温度，求得不同温度下的反应速率常数k1，则根据阿仑尼乌斯公式，有：
积分后可知，若以lnk对1/T作图，由斜率则可求得在该反应温度范围内的平均活化能。
体积法是研究化学反应动力学的基本方法之一。只要反应过程中体系的体积发生明显的变化，一般都可用这种方法研究该反应的动力学。
3 仪器试剂
恒温槽 1套；秒表 1只；
混合液 0.05mol·L-1FeCl3-0.005mol·L-1CuCl2-0.4mol·L-1HCl；0.2mol ·L-1H2O2
4 实验步骤
(1) 实验装置图如图2.15.1所示。
实验前需检查测量系统是否漏气，为此，打开活塞A，拔开塞子B，提高水准瓶C，使量气管D内的水面升至上部，关闭活塞A，把水准瓶放在桌面上。塞紧塞子B，打开活塞A，任水面自由下落，若降至某一位置保持静止，则证明系统不漏气，即可开始实验。
(2) 拔开塞子B，打开活塞A，提高水准瓶C，使D管内的水平面升至量气管0刻度以上， 关闭A。再调节A，使D管内的水面恰在刻度0的位置。移取20mL H2O2溶液注入B，加入 10mL混合液，随即把塞子塞紧。此时H2O2已开始分解，不断调节活塞A，使量气管内两壁的水面保持相同，当气体放出速度趋于稳定后(约10min)，记下D管内水平面的刻度，同时打开秒表，每5min记录一次D管内水面的位置。记录8个～10个数据。
为得到H2O2全部分解后的体积V∞，将测得8个～10个Vt 后的试管瓶放在80℃水浴中加热，并不断摇动，待反应管内不再有气泡放出为止。取出反应管，仍放回原恒温槽内恒温后，读取量气管内水面刻度，即V∞数值。
图2.15.1 过氧化氢分解装置
本实验可用来求H2O2分解反应的活化能，改变反应温度，分别测定25℃、30℃、35℃、40℃等温度下的速率常数，方法同上。
5 数据处理
(1)可按下列格式记录实验数据。
室温： 大气压： 恒温槽温度： V∞=
（2）以lg(V∞-Vt)为纵坐标，时间t 为横坐标作lg(V∞-Vt) — t图。由直线斜率计算分解反应的速率常数k／min-1。
6 注重事项
(1) 气体的体积受温度和压力影响较大，在实验中要保证所测得的Vt和V∞都是在相同的温度和压力下的数据。
(2 )要真正搞清楚动力学方程中Vt、V∞的含义，这样，在进行数据处理时就不会出现错误。
7思考题
反应速率常数与哪些因素有关?为什么在每次读取Vt或V∞时，一定要调整量气管两壁的水面相平？
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