实验二十二 过氧化氢催化分解
〖HT 5SS〗〖HS2〗〖HT5H〗1〓目的要求〖HT5SS〗(1)〓测定过氧化氢分解的反应速度常数。 〖WTBZ〗(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。〖HS2〗〖HT5H〗2〓基本原理〖HT5SS〗$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："〖JZ 〗H2O2→H2O+〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗O2(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："〓〓〓〓〖SX(〗dx〖〗dt〖SX) 〗=k1(a-x)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H 2O2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：〓〓〓〓C 0V∞；〓〓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：6〓〓〓 lg〖SX(〗Ct〖〗C。〖SX)〗=lg〖SX(〗V∞-Vt〖〗V∞〖SX)〗=-〖SX(〗k 1t〖〗2303〖SX)〗或者-lg(V∞-Vt)=-〖SX(〗k1t〖〗2303〖SX) 〗+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：4按H2O2分解反应的 化学计量式，1molH2O2放出〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗molO2。在%酸性溶液中以KMnO4 标准溶液滴定H2O2溶液，V∞则等于：4V∞=MH2O2·V H2O2·〖SX(〗RT〖〗P〖SX)〗(m3))式中：MH2O2——H 2O2的起始摩尔浓度mol·L-1 VH2O2——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8314J·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：-〓〓〓〓〖SX(〗dlnk〖〗dT〖SX)〗=〖SX(〗E〖〗RT 2〖SX)〗-积分后可知，若以lnk对〖SX(〗1〖〗T〖SX)〗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。〖HS2〗〖HT5H〗3 〓仪器〓试剂〖HT5SS〗恒温槽〓〓1套秒表〓〓〓1只;混合液〓〓005mol·L- 1FeCl3-0005mol·L-1CuCl2-04mol·L-1HCl〓〓〓〓〓02mol ·L-1H2O2〖HS2〗〖HT5H〗4〓实验步骤〖HT5SS〗(1)〓实验装置图如图Ⅱ 171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。0移取20mLH2O2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10mi,n)，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。%〖HT5”SS〗〖J Z〗图Ⅱ171〓过氧化氢分解装置〖HT5SS〗,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。 〖HS2〗〖HT5H〗5〓数据处理〖HT5SS〗(1)〓可按下列格式记录实验数据。室温：〖 CD#6〗〓〓大气压：〖CD#6〗恒温槽温度：〓〓〓〓〓V∞=〖HT6SS〗〖BG(!) 〖BHG2，WK7，WK9，WK7，WK9W〗2时间t／min〖〗体积Vt／mL〖〗V∞-Vt ／mL〖〗lg(V∞-Vt)-〖BHG4〗〖GP〗···〖〗〖GP〗···〖〗〖GP〗·· ·〖〗〖GP〗···〖BG〗〗4〖HT5SS〗(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。〖HS2〗〖HT5H〗6〓注重事项〖HT5SS〗+(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。〖HS2〗〖HT5H〗7〓思考题〖HT5SS〗(1)〓反应速率常数与哪些因素有关?+ (2)〓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
