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

1、第次課4學(xué)時(shí)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V8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(shí)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課后作業(yè)對(duì)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)

2、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(jí)反應(yīng)數(shù)據(jù)處理的一個(gè)新模型，化學(xué)通報(bào)，2000,4,47實(shí)驗(yàn)14過氧化氫催化分解反應(yīng)速率常數(shù)的測定1. 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y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。二、實(shí)驗(yàn)原理過氧化氫在沒有催化劑存在時(shí)，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)+17202(g)若以KI為

3、催化劑，在KI作用下催化分解步驟為：KI(l)+H202(1)=KI0+H20(1)(慢)KI0=KI(1)+1/202(g)由丁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=kckica式中，CA為反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)到t時(shí)刻H202濃度，因KI在反應(yīng)過程中濃度不變，故上式可簡化為0-dicA/dt=kicA(14.1)式中k-kcki,將上式分離變里積分當(dāng)t-0時(shí)，Ca-Co；t-t時(shí)，Ca-Ct；積分式為：cadcAtCA0cAkdt0(14.2)0積分結(jié)果：1nctkt1nco(14.3)式是1nCtt的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過程中，

4、測定不同時(shí)刻t時(shí)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1nct對(duì)t作圖，得一直線，表明該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)(準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng))，直線斜率為-k。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(dòng)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，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(shí)測定某一時(shí)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(shí)刻H2O2的濃度可通過測量相

5、應(yīng)的時(shí)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V*表示H2O2全部分解放出的氧氣的體積，Vt表示H2O2在t時(shí)刻分解放出的氧氣體積，則：coocV8,Ctoc(V8Vt)將上述關(guān)系代入(14.3)式，得：ln(VVt)=-kt+lnV-(14.4)如果以ln(VVt)對(duì)t作圖得一直線，即驗(yàn)證是一級(jí)反應(yīng)；由直線斜率m可求出速率常數(shù)k,m=-k。(14.4)為ln(V”Vt)-t的直線方程，式中V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(shí)，它不隨時(shí)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(shí)刻t時(shí)H2O2分解放出的氧氣體積t(

6、若干個(gè)數(shù)據(jù))和反應(yīng)終了時(shí)H2O2全部分解放出的氧氣體積V(一個(gè)數(shù)據(jù))，以ln(VVt)對(duì)t作圖得一直線，直線斜率為一k,用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。V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(shí)間間隔記錄，按拉格朗日中值定理可知，ti1ti1(14.5)2則有W*虬(14.6)dtiti1ti1由此作出ln(dVt/dt)-1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

7、一塊，反應(yīng)器(錐形瓶)一只，備用針頭一個(gè)，蒸僻水瓶一個(gè)。四、實(shí)驗(yàn)步驟按圖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；3一裝有肥皂液的膠頭；4一單向鼓氣球；5磁力攪拌器；6一恒溫水浴槽；7一反應(yīng)器；8溫度計(jì)1. 反應(yīng)器7中放入攪拌子，加入蒸僻水50ml;并移取3ml3%H2O2溶液，同時(shí)放入反應(yīng)器7中。2. 取下醫(yī)用注射器，注射器上按上備用針頭，吸取多丁3ml的KI溶液（1mol-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。3. 潤濕量氣管1（皂沫流量計(jì)）。潤濕時(shí)，一只手火住另一邊的皮管2,慢

8、慢壓氣（不能看急），一直到量氣管頂端。4. 測量反應(yīng)開始后反應(yīng)系統(tǒng)中不同時(shí)刻氧氣體積。開動(dòng)磁力攪拌器5,并將醫(yī)用注射器中3mlKI溶液推入反應(yīng)器（錐形瓶）,與其中的H2O2溶液混合，同時(shí)開始讀表計(jì)時(shí)。反應(yīng)即在室溫下開始進(jìn)行。每隔2分鐘讀取一次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(shí)間t與體積Vt數(shù)據(jù)。5. 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，作Vt-1的草圖。6. 倒掉廢液，活洗玻璃儀器和針頭，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。1. 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)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(dòng)為合

9、格。4. 找一個(gè)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T0=25.1C；測量前Td=24.9C；平均溫度Tm=25C大氣壓強(qiáng)：測量前Po=101.94kPq測量后Pd=101.98kPa；平均大氣壓強(qiáng)：101.96kPaKI溶液原始濃度C0=1.0mol/dm3;KI的反應(yīng)液濃度Cd=0.0536mol/dm3;H2O2溶液原始濃度c0=0.88mol/dm3;H2O2的反應(yīng)液濃度cd=0.047mol/dm3。表14.1實(shí)

10、驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表時(shí)間t/minO2體積Vt/cm303.155.047.5410.3312.1016.4818.55時(shí)間t/min16830O2體積Vt/cm320.4022.2324.0925.7327.3628.9730.2431.30七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正由丁反應(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(jí)反應(yīng)數(shù)據(jù)處理的一個(gè)新模型，化學(xué)通報(bào)，2000,63(4),47)的方法。將(14.4)式變形為：V8-Vt=V8e-kt(14.5)將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得：dVt/dt

11、=kVe-kt(14.6)再取對(duì)數(shù)得：ln(dVt/dt)=ln(kV紂kt(14.7)顯然，以ln(dVt/dt)對(duì)t作圖得一直線，由直線的斜率即可求得k。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(shí)刻t時(shí)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貞例1131（王正烈等編，高等教育出版社出版）。0直線的斜率m=-0.03，所以反應(yīng)的速率常數(shù)k=-m=0.03min-1表14.2不測V數(shù)據(jù)處理記錄表1時(shí)間t/min校前。2體積V/cm3校

12、后O2體積V/cm3圓滑后O2體積V/cm3dVt/dtln(dVt/dt)000-0.423823.153.0522.4811.4220.352345.044.8835.2651.3620.309367.547.3067.9301.3030.2643810.3310.0110.481.2430.21731012.111.7212.901.1830.16791216.4815.9715.211.1230.11591418.5517.9717.391.0630.061111620.419.7719.461.0030.0031351822.2321.5421.410.9433-0.058412024.0923.3423.230.8834-0.12402225.7324.9324.940.8235-0.19422427.3626.5126.530.7636-0.26972628.9728.0727.990.7037-0.35142830.2429.3029.340.6439-0.44033031.330.333