Методика выполнения работы

КИНЕТИКА РЕАКЦИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ

ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА

Цель работы: исследовать кинетику реакции разложения пероксида водорода в присутствии катализатора иодида калия различной концентрации.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Схема лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1 Схема лабораторной установки.

 

Реакцию разложения пероксида водорода проводят в колбочке 1 при температуре, задаваемой термостатом 2.

Колбочку 1 с отводной трубкой помещают в термостат (сосуд или водяную баню) 3 и при помощи резиновой (силиконовой) трубки 2 соединяют с бюреткой 4, как показано на рис. 1.

Реакцию разложения пероксида водорода можно также проводить при комнатной температуре без использования термостата. Условия проведения опыта указываются преподавателем.

Уравнительный сосуд 5 и бюретку 4 закрепляют на штативе и наполняют подкрашенной водой. В бюретке нужно установить уровень жидкости в начале измерительной шкалы, имеющейся на бюретке, поднимая или опуская уравнительный сосуд на штативе. В это время колбочка 1 должна быть открыта.

Затем следует проверить установку на герметичность. Для этого нужно закрыть колбочку пробкой и опустить уравнительный сосуд ниже уровня воды в бюретке. Если уровень воды в бюретке не изменится в течение 3 минут, то считают, что герметичность системы обеспечена.

Методика выполнения работы

В колбочку наливают сначала раствор катализатора KI определенной концентрации, а затем исследуемый раствор Н₂О₂. Колбочку плотно закрывают пробкой и помещают в термостат (водяную баню).

Выделяющийся в ходе реакции кислород будет вытеснять воду из бюретки со скоростью, зависящей от концентрации раствора катализатора.

Проводят 3 опыта при постоянной температуре.

1) для первого опыта в качестве катализатора берут 3,0 мл 0,1 моль/л KI и к нему добавляют 5,0 мл исследуемого раствора Н₂О₂ с массовой концентрацией примерно 3%;

2) для второго опыта готовят 3,0 мл разбавленного в 2 раза раствора KI, т.е. с концентрацией 0,05 моль/л. Для этого берут 1,5 мл 0,1 моль/л КI и 1,5 мл Н₂О₂. К приготовленному раствору катализатора добавляют 5,0 мл исследуемого раствора Н₂О₂;

3) для третьего опыта готовят 3,0 мл раствора KI разбавленного в 3 раза, т.е. с концентрацией 0,033 моль/л, приготовленного путем смешения 1,0 мл 0,1 моль/л раствора KI и 2,0 мл Н₂О₂. К приготовленному раствору катализатора добавляют 5,0 мл исследуемого раствора Н₂О₂.

Все три опыта нужно проводить одновременно на трех установках.

Сразу же после приготовления реакционной смеси колбочки следует тщательно закрыть пробками, установить одинаковые уровни в бюретке и

уравнительном сосуде и произвести первое измерение. Записать время начала реакции и начальное показание уровня жидкости по бюретке.

Каждое следующее измерение проводят через 5, 10, 15, 20, 25 минут после начала опыта. При каждом измерении внимательно следят за тем, чтобы уровни жидкости в бюретке и уравнительном сосуде в момент измерения были одинаковы. В ходе проведения опыта колбочки с реакционной смесью следует аккуратно встряхивать, для того, чтобы образующийся в ходе реакции кислород не скапливался на стенках колбочки, а равномерно выделялся из раствора и вытеснял жидкость из бюретки.

После проведения измерения при минут колбочку с реакционной смесью помещают в сосуд с водой или водяную баню при температуре около 60°С и выдерживают её при этих условиях до полного разложения пероксида водорода. Реакция считается законченной, если уровень газа в бюретке не изменяется и в колбочках не видно пузырьков кислорода, образующегося в ходе реакции.

После полного разложения пероксида водорода колбочки следует охладить, поместив их в термостат, который должен иметь первоначальную температуру опыта. Установившийся после охлаждения уровень жидкости в бюретке выравнивают с уровнем жидкости в уравнительном сосуде и проводят последнее измерение при t=∞, т.е. когда реакция прошла до конца, и весь пероксид водорода разложился.

Все результаты измерений, то есть время (t) от начала реакции и объем (V) кислорода по бюретке вносятся в табл. 1. При обработке

результатов следует учесть, что количество прореагировавшей перекиси

водорода равно количеству выделившегося кислорода и равно (V-V_o).

Та б л и ц а 1

Экспериментальные данные и результаты их обработки

Время, мин	СКІ = 0,1 моль/л	СКІ = 0,05 моль/л	СКІ = 0,033 моль/л
V, мл	(V–Vo), мл	k	V, мл	(V–Vo), мл	k	V, мл	(V–Vo), мл	k
	1,5						0,5
	7,4	5,9	0,0384	4,3	2,3	0,0314		1,5	0,0302
	11,5		0,0258	6,5	4,5	0,0177	3,3	2,8	0,0161
	14,3	12,8	0,0224	8,4	6,4	0,0132	4,7	4,2	0,0116
	17,1	15,6	0,0241	10,1	8,1	0,0111	6,1	5,6	0,0094
	19,2	17,7	0,0288	11,7	9,7	0,0101	7,4	6,9	0,0082
∞	23,5			31,5	29,5		29,5

 

В табл. 1 для расчета констант скоростей по формуле

(1)

использованы следующие обозначения: V_o – объем жидкости по бюретке при времени t, мл; V_∞ – объем жидкости по бюретке после полного разложения пероксида водорода при времени, мл; V – объем жидкости по бюретке в различные моменты времени t, мл; (V–V_o) – объем, соответствующий объему выделившегося кислорода в различные моменты времени, мл (это значение соответствует величине (C⁰–C_x) в формуле (1)); V_∞–V_o – объем кислорода, выделившегося после полного разложения пероксида водорода, мл (это значение соответствует величине C^o в формуле (1)); k – константа скорости реакции разложения пероксида водорода при данной температуре, мин^-1.

Расчет константы скорости реакции k проводят по формуле (1), в которую вместо концентрации подставляют полученные в эксперименте объемы выделившегося кислорода, т.к. количество выделившегося кислорода пропорционально количеству прореагировавшего пероксида водорода. Поэтому, начальная концентрация пероксида водорода C^o пропорциональна величине (V_∞–V_o), а количество прореагировавшего пероксида водорода в различные моменты времени пропорционально значению (V–V_o).

Приведем один пример расчета:

 

По полученным данным о констате скорости реакции можем рассчитать скорость реакции в конкретный момент времени, за формулой: v=k∙C.

Где, k – среднее значение константы реакции, С – концентрация вещества в данный момент времени (С = V_∞–V_o).

Пример расчета скорости реакции:

v=k∙C = 0,0279∙22=0,6138 (моль/мин).

Полученные данные сводим в таблицу 2.

 

Изобразим графически изменение скорости реакции с течением времени, для реакций с разной концентрацией катализатора:

Та б л и ц а 2

Данные расчета скорости реакции

Время, мин	СКІ = 0,1 моль/л	СКІ = 0,05 моль/л	СКІ = 0,033 моль/л
k	(V∞–Vo), мл	v	k	(V∞–Vo), мл	v	k	(V∞–Vo), мл	v
	0,0279		0,6138	0,0167	29,5	0,49265	0,0151		0,4379
	16,1	0,44919	27,2	0,45424	27,5	0,4153
		0,3348		0,4175	26,2	0,3956
	9,2	0,25668	23,1	0,38577	24,8	0,3745
	6,4	0,17856	21,4	0,35738	23,4	0,3533
	4,3	0,11997	19,8	0,33066	22,1	0,3337
∞

 

 

 

По данным, полученным в табл.1 рассчитывают среднее значение константы скорости реакции для каждой серии опытов, т.е. при разной концентрации катализатора, и вносим результаты расчета в табл. 3.

Та б л и ц а 3

Влияние катализатора на константу скорости реакции

Концентрация раствора катализатора, моль/л	Средене значение константы скорости, мин-1	Коэффициент пропорциональности
0,1	0,0279	0,279
0,05	0,0167	0,334
0,033	0,0151	0,457

 

Рассчитываем коэффициент пропорциональности a по формуле

k=a∙C_KI (2)

а₁ = k/ C_KI = 0,0279/0,1=0,279

 

Cтроим график зависимости константы скорости реакции k от концентрации катализатора С_К1:

Выводы

По полученным экспериментальным данным рассчитано константу скорости реакции и проанализировано влияние катализатора на скорость реакции. За теоретическими представлениями, константа скорости реакции прямопропорциональна концентрации катализатора. В нашей работе, зависимость константы скорости реакции от концентрации катализатора также имеет почти прямолинейную зависимость. Разницу в значениях константы скорости реакции (которая теоретически должна быть одинакова) можем объяснить неточностями проведения эксперимента (например, при фиксации объема в конкретном промежутке времени).