Опыт 4. Гомогенный катализ

Собрать прибор (рис. 4). Бюретку заполнить водой. В одно колено двухколенной пробирки через воронку налить точно отмеренные пипеткой 5 мл 3 %-ного раствора пероксида водорода (субстрат), в другое – 1,5 мл 0,1 М раствора дихромата калия (катализатор) и 3 мл дистиллированной воды. Пробирку присоединить к прибору, проверить его герметичность, совместить уровни воды в бюретке и уравнительной трубке и зафиксировать исходный уровень воды.

 

Смешать растворы субстрата и катализатора. Уравнительную трубку постоянно перемещать вниз, поддерживая в приборе давление, близкое к атмосферному и через каждые 0,5 мин. отмечать объем выделившегося кислорода. Эксперимент заканчивается, когда разница в отсчетах не превысит цены деления бюретки.

Проделать тот же опыт с 3 и 4,5 мл раствора дихромата калия (в первом случае к 3 мл раствора K₂Cr₂O₇ добавить 1,5 мл дистиллированной воды). Как зависит скорость выделения кислорода от концентрации катализатора?

Для реакции

H ₂ O ₂ = O ₂ + H ₂ O

мера средней скорости w на середине данного временного отрезка пропорциональна приросту объема выделившегося кислорода за данный промежуток времени:

Можно показать, что текущая концентрация субстрата С(H₂ O₂, t) пропорциональна разности предельного и текущего объемов выделившегося кислорода . Поэтому кинетическое уравнение   может быть преобразовано к виду:

Уравнение линеаризуют:

 

и в результате обработки массива   находят формально-кинетические параметры. Константа скорости по существу является мерой активности катализатора. С целью ее уточнения дифференциальное кинетическое уравнение (ДКУ) интегрируют для найденного порядка реакции. Разложение пероксида водорода – реакция первого порядка (а какой порядок реакции получился у Вас?), и интегрирование дает:

Или:

Обработка массива  дает из коэффициента регрессии уточненную константу скорости.

Применение метода линейной регрессии позволяет из полученных опытных данных рассчитать не только константу скорости k, но и погрешность ее определения и коэффициент корреляции r, дающий возможность оценить правомерность описания процесса кинетическим уравнением первого порядка.

 

Опыт 5. Гетерогенный катализ

Проделать опыт 4, взяв в качестве катализатора оксид ванадия (V), не более 0,1 г. Уровень воды в бюретке отмечать каждую минуту, пока объем кислорода, выделяющегося за минуту, будет не более 0,1 мл.

 

Опыт 6. Автокатализ

Автокаталитическими называют реакции, катализатором в которых служит один из продуктов реакции. Примером является окисление щавелевой кислоты перманганатом в кислой среде:

2MnO₄^– + 5H₂C₂O₄ + 6H⁺ = 2Mn²⁺ + 10CO₂↑ + 8H₂O.

Катализатором этой реакции служат ионы Mn²⁺. Скорость наиболее медленной реакции – процесса образования ионов Mn³⁺

MnO₄^– + Mn²⁺ + 8H⁺ = 2Mn³⁺ + 4H₂O –

является определяющей скорость всего процесса.

Щавелевая кислота окисляется ионами Mn³⁺:

H₂C₂O₄ + 2Mn³⁺ = 2CO₂↑ + 2Mn²⁺ + 2H⁺.

В две пробирки налить по 1-2 мл разбавленного раствора перманганата калия, подкислить раствором серной кислоты и прилить равные объемы 1 М раствора щавелевой кислоты. В одну из пробирок бросить кристаллик соли марганца (II). Сравнить скорость окисления щавелевой кислоты в обеих пробирках.