量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数x

华东理工大学——物理化学实验

量气法测定过氧化氢催化分解 反应速率系数

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化学反应速率方程的通式： aA bB pPn A k A cA

dc A n k A cA dt1 1 1 kA t n 1 n 1 n 1 (c A 0 x ) cA 0

式中vA表示消耗速率， t表示反应时间， cA表示t 时刻反应物A的浓度，cA0表示反应物A的初始浓度， x表示t时刻已消耗的反应物A的浓度，kA表示消耗 速率系数。n为反应级数。 kA 、n是反应特性常数是物质的特性。

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过氧化氢催化分解反应是一级反应一、实验目的

1. 测定H2O2分解反应的速率系数； 2. 了解一级反应的特点。

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一级反应： aA bB pPdc A A k A cA dt dx k A c A0 x dt cA 1 t dc A k A dt c A0 c 0 A

ln{ cA } ln{ cA0 x } k A t ln{ cA0 }cA0 1 cA0 1 k A ln ln t cA t cA0 x

ln{ cA }对t作图是一条直线，斜率的负值即 k A 。速率系数的值与浓度单位无关。 ln 2 半衰期与kA 成反比，与cA0 无关。 t1 / 2

k A具有时间 1的量纲，表达为T 1。一级反应kA

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二、实验原理1 H 2O 2 H 2O O 2 2 其反应机理：KI

第一步： 第二步：

H 2O 2 KI KIO H 2O(慢) 1 KIO KI + O(快) 2 2

由此可见第一步是控制步骤，即整个反应的速 率取决于第一步。因此，用慢反应的速率来表 示整个反应的速率。

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dc H 2 O 2 慢反应的速率方程： k H 2O 2 cKI cH 2O 2 dt KI 为催化剂，浓度保持不 变，即cKI C 令：k1 k H 2O 2 cKI,k1为表观反应速率常数。 dc H 2 O 2 dt k1cH 2O 2 — —一级反应 dt k 1d t0 t

ct

c0

dc H 2 O 2

ct ln k1 t c0

由一级反应的动力学特征可知：只要通过实验测 得不同反应时刻t时过氧化氢的浓度ct,用 ln cA ~ t 作图，由直线的斜率就可得到表观速率系数k1

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在物理化学实验中测定的不是ct~t的关系，而 是物理性质与时间的关系。在H 2O 2 催化分解过程中， t时刻H 2O 2的浓度ct 可通过测量在相应时间 内反应放出的 O 2的体积 求得。 令 : V 表示H 2O 2 全部分解所放出的 O 2 体积， Vt 表示H 2O 2 在t时刻放出的O 2的体积， V0则表示初始时即 t 0时O 2的体积, 显然V0 0 再找出浓度与物理性质 之间的关系： c0 V V0 , ct V Vt , x Vt V0

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再将浓度与物理性质之 间的关系代入一级反应 的积分形式中 c0 V V0 , ct V Vt ,ct V Vt ln ln k1t c0 V

x Vt V0

ln V Vt k1 t ln V {V V }t 对t作图得到一直线，从直 以ln Vt 线的斜率即 可求得表观速率速率常 数k1。

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本实验需测的数据：(注意测量精度，即量气管读数的有效数字)

t / min 0 1 2

3 4 5 6 7 8 9 10 ∞zt / ml

实验温度t / ℃

所用试剂的用量和浓度

数据处理：(注意有效数字的运算规则及对数的有效数字)⑴原始数据以表格的形式在报告中列出； ⑵举一例写出数据处理的计算过程(要代入数据);

Vt 和V 进行换算：Vt Z 0 Z t ;V Z 0 Z

V Vt 及ln V Vt ⑶所有的计算结果列表；

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⑶所有的计算结果列表；

t / min 0zt / mlVt / ml V V tml

1

2 3

4

5

6 7 8 9 10 ∞

ln V Vt

⑷以 ln V Vt 对t 作图: ⑸求直线斜率k和表观速率系数k1: 在直线上任取两点A( ),B( ), k= 写出计算过程； 求表观速率系数，k1=-k= 写出计算过程 ⑹完成思考题并进行讨论

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若要进一步测定活化能，由Arrhennius经验方程 Ea 1 ln k C 可知： R T 1 以 ln k对 做图得一直线，从其直线斜率 T Ea ( )即可求得表观活化能 E a。而为了 R 得到直线，需测定不同温度时的速率系数。

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三、仪器与试剂

试剂：H2O2溶液(3%), KI溶液(0.2mol/L) 仪器：H2O2分解测定装置， 超级恒温槽，5mL 移液管

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四、实验步骤1. 调节超级恒温水槽的温度； 2. 用双连球鼓气，使皂膜润湿气管壁，并在量气管 下部压出三个液膜备用； 3. 向反应管中加入3%的H2O2溶液5mL恒温； 4. 向小试管中加入0.2mol/L的KI溶液，恒温； 5. 将KI溶液倒入反应管中，打开磁力搅拌器。 1分 钟后旋转三通活塞，使氧气进入量气管，任选一 时刻作为起始时间，同时记录液膜对应的读数 Z0, 以后每分钟一次Zt ,共10次。 6. 约二十分钟后，液膜不再变化，记录液膜对应的 读数为 Z 。

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五、数据记录与处理1. 记录反应条件及反应时间与量气管相应的 读数； 2. 计算 Vt 和V :Vt Z 0 Z t ;V Z 0 Z 3. 以 ln(V Vt ) 对t作图，由直线的斜率求得 表观的反应速率系数。