实验2 过氧化氢分解反应动力学-不标定浓度

实验二 过氧化氢分解反应动力学

一、实验目的：

1．熟悉一级反应特点，了解反应物浓度、温度、催化剂等因素对一级反应速度的影响。

2．用静态法测定H 2O 2分解反应的速度常数和半衰期。

3．掌握量气技术，学会用图解计算法求出一级反应的速度常数。 二、实验原理：

凡是反应速度只与反应浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。实验证明，过氧化氢的反应机理为一级反应。

化学反应速度取决于反应物的浓度、温度、反应压力、催化剂、搅拌速度等许多因素。

过氧化氢在没有催化剂存在时，分解反应进行的很慢。许多催化剂如Pt 、Ag 、MnO 2、FeCl 3、碘化物等都能加速H 2O 2分解。

过氧化氢分解反应的化学计量式如下： H 2O 2(l) = H 2O(l) + 1/2O 2(g) 若以KI 为催化剂，在KI 作用下催化分解步骤为：

KI(l) + H 2O 2(l) = KIO + H 2O(l) （慢） KIO = KI(l) + 1/2O 2(g)

由于第一步的速率比第二步慢得多，所以，第一步为反应的控制步骤。因而可以假定其反应的速率方程式为：

-dc A /dt =k ’c KI c A

式中，c A 为反应系统中反应到t 时刻H 2O 2浓度，因KI 在反应过程中浓度不变，故上式可简化为

- dc A /dt = kc A （2.1） 式中k=k ’c KI , 将上式分离变量积分：

当 t=0 时， C A =C 0 ； t=t 时， C A =C t ； 定积分式为：

⎰

⎰=-t

C C t A A

k d t c dc 00

（2.2）

积分结果：

0ln ln c kt c t +-= （2.3） 式是t c t ~ln 的直线方程。反应进行过程中，测定不同时刻 t 时反应系统中H 2O 2的浓度c t ，取得若干组c t 、t 的数据后，以lnc t 对t 作图，得一直线，表明该反应为一级反应（准一级反应），直线斜率为-k 。

在H 2O 2催化分解过程中t 时刻H 2O 2的浓度可通过测量相应的时间内分解放出的氧气的体积得出。放出的氧气的体积与分解了的H 2O 2的量成正比，其比例系数为定值。令V f 表示H 2O 2全部分解放出的氧气的体积，V t 表示H 2O 2在t 时刻分解放出的氧气体积，则： f O H O O H V RTV P V n c ⋅=

=

2

2

002222 ; ()t f O H O O H t t t V V RTV P V n n c c c -⋅=-=

-=2

2'

0'02222 c o ∝V f ， c t ∝ （V f －V t ）

将上述关系代入（14.3）式，得：

ln （V f －V t ）= - kt + ln V f (2.4) 如果以ln （V f －V t ）对t 作图得一直线，即验证是一级反应；由直线斜率m 可求出速率常数k ，m = - k 。

(2.4)为ln （V f －V t ）～ t 的直线方程，式中V f 为H 2O 2全部分解放出的氧气体积，反应温度及KI 浓度一定时，它不随时间改变。实验过程中只需要测定反应进行的不同时刻t 时H 2O 2分解放出的氧气体积V t (若干个数据)和反应终了时H 2O 2全部分解放出的氧气体积V f （一个数据），以ln （V f －V t ）对t 作图得一直线，直线斜率为－k ，用作图法可求出反应速率常数k 。 V f 可采用下面两种方法来求得：

（a ）外推法：以1/t 为横坐标，对V t 作图，将直线外推至1/t =0，其截距即V f 。 （b ）加热法：在测定若干个V t 数据后，将H 2O 2加热至50—60℃约15分钟，可认为H 2O 2已基本分解完毕，待溶液冷却到实验温度时，读出量气管读数即为V f ，同学们可自择二者之一，与滴定结果作对照。

当02

1

c c t =时，t 可用t 1/2表示，即为反应的半衰期.

由（2.3）式变换得：

kt c c t

-=0

ln

（2.5）

k

k t 693

.02ln 2

1=

=

（2.6） 从式（2.6）可见，在温度一定时，一级反应的半衰期应与反应的速度常数成反比，而与反应物的初始浓度无关。 三、仪器和药品：

1. 仪器：H 2O 2分解速率测定装置；滴定管；秒表；移液管（5、10、20ml ）；锥形瓶（150、250ml ）。

2. 药品：H 2O 2溶液（现配，质量分数为2%）；KI 固体；H 2SO 4溶液（

3.0mol/L ） KMnO 4标准溶液（0.05mol/L ）。

四、实验步骤：（浓度不用标定，直接按质量分数2%换算成摩尔浓度） (一) 配制试剂；

(二) 按图2-1安装好实验装置； (三) 测量过程；

1. 试漏：将水准球内加水，2/3容积为准，使水位与量气管满刻度处齐平。（打开三通活塞，使大气与量气管相通）。与此同时调节恒温槽温度。

2. 调节恒温槽温度：在1000ml 烧杯中加入250ml 水，水温控制在25℃左右并使在实验中能够基本恒定。烧杯放在搅拌器座上。夹好测温用温度计。

3. 用移液管移取己恒温至25℃的10ml 水放入洁净干燥的锥形瓶中，再移取10ml 已恒温到同样温度的H 2O 2 注入到锥形瓶中。将已准确称量好的KI 试剂 0.160克小心放在液面上勿使KI 与液面接触，最后塞好橡皮塞，进行试漏。

4. 把锥形瓶小心的放入恒温槽，将三通活塞 4 旋与大气、量气管都相通，举高水准球使量气管充满水，然后再旋活塞 4 切断与大气的通路，但仍使系统内部联通，将水准瓶放到最低位置，若量气管中水位在2分钟内保持不变，说明系统不漏气，可以进行分解反应。

5. 旋动三通活塞与大气相通，使水面在量气管的顶部刻度处，然后切断大气通路，打开搅拌器开关，同时记下时间，此时KI 容器倾倒，KI 溶于H 2O 2溶液中，分解反应开始，当O 2开始释放出后应随时保持水准瓶和量气管液面在一水平线