實(shí)驗(yàn)14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定(優(yōu).選)

1、河北科技大學(xué)教案用紙第 次課 4學(xué)時1 / 8word.河北科技大學(xué)教案用紙本次課題（或教材章節(jié)題目）：實(shí)驗(yàn)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(jì)的操作方法，能根據(jù)拉格朗日中值定理，使用不測 Voo求取速率常數(shù)。重 點(diǎn)：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(diǎn)：產(chǎn)生高質(zhì)量肥皂泡的方法；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的掌握教學(xué)手段及教具： 演示講授，實(shí)際操作。講授內(nèi)容及時間分配：演示講授實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)、數(shù)據(jù)處理0.5h學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作3.5h課后作

2、業(yè)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告各項(xiàng)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(shí)驗(yàn)，北京理工大學(xué)出版社，20052復(fù)旦大學(xué)等，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，高等教育出版社，19933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(bào)，2006 , 9, 7154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(bào)，2000 ,2 / 8word.4, 47河北科技大學(xué)教案用紙0000實(shí)驗(yàn)14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .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(shí)驗(yàn)原理過氧化氫在沒有催化劑存在時

3、，分解反應(yīng)進(jìn)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(jì)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) + H 202(1) = KIO + H 20(1)(慢)KI0 = KI(1) + 1/20 2(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(14.1)-diCA/dt = kiCA式中k=k cki,將上式分離變量

4、積分:t=0 時， t=t 時,Ca=Co ；Ca=C t;9 / 8word.定積分式為:ca dcACa0 catkdt0(14.2)積分結(jié)果:ln Ctkt1n Co(14.3)式是lnG t的直線方程。反應(yīng)進(jìn)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(zhǔn) 一級反應(yīng))，直線斜率為-k0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

5、，問 接測量濃度變化。此種物理化學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法最大的優(yōu)點(diǎn)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 V8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：co ocV、Ct oc (VVt)將上述關(guān)系代入(14式，得：ln (Vr Vt) = - kt + In V-(14.4)如果以In (V8Vt)對t作圖得一直

6、線，即驗(yàn)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 (VmVt)-t的直線方程，式中Vm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(shí)驗(yàn)過程中只需要測定反應(yīng)進(jìn)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)終了時H2O2全部分解放出的氧氣 體積Va (一個數(shù)據(jù))，以ln (Vs 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)koV-也可以不測，由“數(shù)據(jù)處理”中介紹的方法計(jì)算得到。因數(shù)據(jù)是等時間問隔記錄，按拉格朗日中值定理可知，ti ti 1 ti 1(14.5)2則有吆 Vti1 V

7、ti1(14.6)dti ti 1 ti 1由此作出ln(dVt/dt)t圖，數(shù)據(jù)結(jié)果具有很強(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置一套(圖14.1過氧化氫催化分解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置),2ml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，蒸儲水瓶一個。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 .按圖14.1安裝好實(shí)驗(yàn)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；4一單向鼓氣球；5磁力攪拌器；6一恒溫水浴槽；7反應(yīng)器；8溫度計(jì)2 .反應(yīng)器7中放入攪拌

8、子，加入蒸儲水50ml;并移取3m13% 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（1mo1 -dm-3） 將醫(yī)用注射器中的KI溶液在備用錐形瓶中推至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(jì)）。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3m1KI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(jì)時。反應(yīng)即在室溫下開始進(jìn)行。每隔2分鐘讀取一次

9、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(yàn)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(shí)驗(yàn)臺。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 .反應(yīng)開始前，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(dāng)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(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)溫度：測量前To= 25

10、.1 C； 測量前Td= 24.9 C ；平均溫度Tm= 25 C大氣壓強(qiáng)：測量前Po=101.94 kPa 測量后Pd= 101.98 kPa；平均大氣壓強(qiáng)：101.96 kPaKI溶液原始濃度 co= 1.0 mol/dm3; KI的反應(yīng)液濃度Cd= 0.0536mol/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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表時間t/min02468101214O2 體積 Vt /cm 303.155.047.5410.3312.1016.4818.55時間t/min161820222426283

11、0O2 體積 Vt /cm 320.4022.2324.0925.7327.3628.9730.2431.30七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1 .實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正由于反應(yīng)體系有水存在，故計(jì)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：V校正V測量1P水氣P大氣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(bào)，2000, 63 (4), 47)的方法。將(14.4)式變形為：V - Vt = Vd(14.5)將上式對時間求導(dǎo)數(shù)得：dVt/dt = kVd(14.6)再取對數(shù)得：In (dVt/dt) = ln(kVQ kt(14.7)顯然，以In (dV

12、t/dt)對t作圖得一直線，由直線的斜率即可求得ko具體作法是：將測得的Vtt數(shù)據(jù)作圖并進(jìn)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212215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/cm 3校后O2體積V/cm 3圓滑后。2體積 V/cm 3dVt/dtln(dV t/dt)000-0.423823.153.0522.4811.4220.352345.0

13、44.8835.2651.3620.309367.547.3067.9301.3030.2643810.3310.0110.481.2430.21731012.111.7212.901.1830.16791216.4815.9715.211.1230.11591418.5517.9717.391.0630.061111620.419.7719.461.0030.0031351822.2321.5421.410.9433-0.058412024.0923.3423.230.8834-0.12402225.7324.9324.940.8235-0.19422427.3626.5126.530.7636-0.26972628.9728.0727.990.7037-0.35142830.2429.3029.340.6439-0.44033031.330.3330.57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(shí)驗(yàn)思考練習(xí)1