过氧化氢催化分解动力学研究
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H 2O 2 浓度
M nO 2 量 g
0. 12%
0. 18%
0. 24%
0. Leabharlann Baidu0%
0. 05
32. 3
39. 4
53. 3
81. 5
0. 10
40. 1
46. 8
74. 3
88. 2
0. 15
41. 5
53. 4
81. 9
92. 5
0. 20
44. 9
66. 1
84. 6
99. 0
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分解。 表 4 结果表明, 固定H 2O 2 浓度为 18% , 室温条件下, 研究催
化剂用量对H 2O 2 分解速率常数的影响。 结果表明, 随着活性炭
的量的增加, 反应速率常数也逐渐增大, 但仍与理论值相差甚 远, 反应不充分, 表明活性炭的催化能力差。
2. 2. 3 温度对动力学参数的影响 以M nO 2 为催化剂, 固定H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0.
过氧化氢是一种“绿色”试剂, 广泛应用于化工、纺织、造纸、 军工、电子、航天、医药、建筑及环境保护等行业[1], 但同时过氧 化氢对人类也具有致癌危险性, 能加速人体的衰老过程, 缩短人 的寿命等。纯净的过氧化氢是比较稳定的, 在30℃时, 纯的H 2O 2 一年中的分解率仅为 1% , 只有混有少量的杂质或在加热、光照 的条件下它的不稳定性才会表现出来, 但大多数情况下是不能 立即分解的[2]。对H 2O 2 催化分解的研究集中在新型催化剂的开 发上, 已经研究过的催化剂有碱金属、碱土金属卤化物及卤酸 盐; 过渡金属化合物; 贵金属、重金属的盐类; 有机金属化合物; 杂多酸及其盐; 过氧化氢酶等[3]。本文是以二氧化锰和活性炭为 催化剂来催化分解 H 2O 2, 以研究其动力学性质。 对过氧化氢分 解动力学的研究既具有一定的理论意义又具有一定的实际意
表 3 不同M nO 2 量催化不同浓度H 2O 2 所得 k 表
H 2O 2 浓度
M nO 2 量 g
0. 12%
0. 18%
0. 24%
0. 30%
0. 05
0. 3268 0. 3007 0. 1240 0. 1114
0. 10
0. 4838 0. 3501 0. 3418 0. 1269
0. 15
117. 0
2. 2 速率常数 k 的确定 由不同催化剂催化不同浓度过氧化氢所得V ∞表 1、表 2 数
据, 以ln [V ∞ (V ∞- V t) ]对t 作图, 所得直线斜率即为速率常数 k, 所得结果见表3、表4。实验结果表明, 随着过氧化氢浓度递增 及M nO 2 量的增加, 速率常数k 有规律的增大; 但表4 表明, 随着 过氧化氢浓度增大, 速率常数 k 的变化却没有一定的规律, 可见 二氧化锰的催化活性好, 而活性炭 (粒状) 催化活性差。
义。
1 实验部分 1. 1 仪器与试剂 501 型超级恒温槽。 上海市实验仪器厂 HJ - 2 多头磁力恒温搅拌器。 常州市华普达教学仪器有限 公司
恒温恒压量气装置 (自制) 30% H 2O 2 (A. R ). M nO 2 (A. R ). 活性炭 (A. R ) 1. 2 实验条件和方法 在没有催化剂时, H 2O 2 分解缓慢, P t、A g、M nO 2 等都能加 速它的分解[4], 本实验用M nO 2 及活性炭 (粒状) 为催化剂, 测定 过氧化氢的动力学参数, 过氧化氢分解反应的化学计量式为:
过氧化氢浓度对过氧化氢分解速率常数 k 的影响, 四种浓度下 所得 ln [V ∞ (V ∞- V t ) ]—t 图, 结果见图 1。 结果表明, 随着 H 2O 2 浓度的增大, 反应速率逐渐增大, 但速率常数 k 逐渐减小。
从表4 可看出, 固定活性炭量为1. 10g , 室温条件下, 研究过 氧化氢浓度对过氧化氢分解速率常数 k 的影响, 结果表明, 随着 H 2O 2 浓度递增, 速率常数 k 的变化并没有一定的规律性, 可见 活性炭 (粒状) 的活性弱, 催化能力差。
0. 5348 0. 3579 0. 3430 0. 2713
0. 20
0. 7079 0. 6401 0. 5392 0. 4079
表 4 不同活性炭催化不同浓度H 2O 2 所得 k 表
H 2O 2 浓度
活性炭量 g
9%
12%
15%
18%
0. 50
0. 1269 0. 1741 0. 2658 0. 2685
H 2O 2→H 2O + 1 2O 2 该催化分解反应可视为一级反应, 其速率方程为:
lnC0 C = k t 式中: C0 为H 2O 2 的初始浓度, C 为反应t 时刻H 2O 2 的浓度。 在过氧化氢分解过程中, t 时刻H 2O 2 的浓度C 可通过测量 在相应时间内分解出氧气的体积得出, C0 可通过测量过氧化氢 完全分解时放出氧气的体积V ∞得到, 则有C0∝ V ∞, C∝ (V ∞V t) , 则反应速率方程可转化为:
[J ]. 南京师范高等专科学校学报, 2004, 21 (1) : 85- 86 [ 3 ]辛剑, 孟长功. 基础化学实验 大连理工大学, 北京: 高等
教育出版社, 2004 [ 4 ]朱业晋, 李郧, 王科军等. 过氧化氢催化分解反应的实验
数据处理[J ]. 赣南师范学报, 2004, (6) : 91- 92 [ 5 ]谷宁, 武树兰, 李春梅. H 2O 2 的反应级数随温度变化的
表 2 不同活性炭量催化不同浓度的H 2O 2 所得V ∞表
H 2O 2 浓度 活性炭量 g
9%
12%
15%
18%
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25. 6
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59. 4
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(4) 当H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0. 10g 并加热到40℃ 时, 产生气体最快, 可作为实验室制备O 2 使用。
参考文献 [ 1 ]吴洪达, 黄映恒. 过氧化氢的分解反应 [J ]. 河池师专学 报, 2002, 22 (2) [ 2 ]韦友欢, 李艳丽, 陈小华等. 略谈影响 H 2O 2 分解的因素
实验[J ]. 河北师范大学学报 (自然科学报) , 1994, 18 (4) : 51- 54
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ln [V ∞ (V ∞- V t) ]= k t 式 中: V t 为 H 2O 2 在 t 时刻分解放出的氧气的体积, V ∞为 H 2O 2 全部分解放出氧气的体积。 实验采用量气法测量 t 时刻的V t 值[5]。 以 ln [V ∞ (V ∞- V t) ]对 t 作图, 所得直线斜率即为速率常 数 k。 2 结果与讨论 2. 1 V ∞的确定 分别以二氧化锰和活性炭 (粒状) 为催化剂, 用不同质量的 催化剂催化分解不同浓度的过氧化氢, 分别测出反应放出氧气 的量, 并分别作V t—1 t 图, 即可求出不同条件下的V ∞, 结果见 表 1 和表 2。 结果表明, 随着过氧化氢浓度的增大和催化剂量的 增加, V ∞逐渐增大; 而且可以看出, 以二氧化锰为催化剂时所产 生的气体量较接近理论值, 而以活性炭催化剂时所产生的气体 量与理论值相差甚远, 这表明二氧化锰催化能力好, 当过氧化氢 浓度为 0. 30% , 二氧化锰量为 0. 20g 时所产生的氧气量为 99. 0 mL , 与理论值最相符。 表 1 不同M nO 2 量催化不同浓度的H 2O 2 所得V ∞表
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过氧化氢催化分解动力学研究
吉林师范大学化学学院 王秀艳 天津师范大学化生学院 陈 丹
[ 摘 要 ]本文主要是对不同条件下二氧化锰和活性炭催化分解过氧化氢动力学进行研究, 得出两种催化剂二氧化锰 和活性炭催化分解过氧化氢的最适宜条件及有关动力学数据, 从而总结出一些有益于科研与教学的结论。 [ 关键词 ]过氧化氢 催化分解 二氧化锰 活性炭 动力学
0. 70
0. 2232 0. 2003 0. 2902 0. 2894
0. 90
0. 2914 0. 2196 0. 3157 0. 2983
1. 10
0. 3262 0. 2384 0. 3544 0. 3159
2. 2. 1 浓度对动力学参数的影响 从表 3 可看出, 固定二氧化锰量为 0. 20g, 室温条件下, 研究
10g, 研究不同温度对 H 2O 2 分解的影响, 分别测定产生氧气的 量, 并求出V ∞表5, 所得k 值如图3。结果表明, 随着浓度的升高, 所产生氧气量越接近理论值; k 值也随着增大, 反应速率也增 大。当温度为 40℃时, 产生气体最快, 可作为实验室制备氧气使
用。
温度 ℃ V ∞ mL
2. 2. 2 催化剂量对动力学参数的影响 表 3 结果表明, 固定H 2O 2 浓度为 0. 3% , 室温条件下, 研究 催化剂用量对H 2O 2 分解速率常数的影响。 所作 ln [V ∞ (V ∞V t) ]) —t 图, 如图 2, 结果表明, 随着M nO 2 量的增加, 速率常数 也逐渐增大, 表明M nO 2 的催化活性好, 加入M nO 2 有利于H 2O 2
表 5 温度对V ∞的影响
20℃
25℃
30℃
35℃
55. 3
62. 0
76. 0
87. 5
40℃ 106. 9
由 lnk= - Ea R T + B 式, 以 lnk 对1 T 作图, 见图4, 由截距 可求出活化能 Ea= 0. 5879J ·m o l- 1。
3 结论 (1) 以M nO 2 为催化剂所产生的气体量较接近理论值, 速率 常数随着 H 2O 2 浓度的递增而增大, 随着M nO 2 量的增加也增 大, 表明M nO 2 的催化活性好。 (2) 以活性炭为催化剂所产生的气体量与理论值相差甚远, 其速率常数随着 H 2O 2 浓度及M nO 2 量的递增没有一定的规律 性, 表明活性炭的催化活性差。 (3) 当H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0. 20g 时所产生的气 体量与理论值最相符。
H 2O 2 浓度
M nO 2 量 g
0. 12%
0. 18%
0. 24%
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分解。 表 4 结果表明, 固定H 2O 2 浓度为 18% , 室温条件下, 研究催
化剂用量对H 2O 2 分解速率常数的影响。 结果表明, 随着活性炭
的量的增加, 反应速率常数也逐渐增大, 但仍与理论值相差甚 远, 反应不充分, 表明活性炭的催化能力差。
2. 2. 3 温度对动力学参数的影响 以M nO 2 为催化剂, 固定H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0.
过氧化氢是一种“绿色”试剂, 广泛应用于化工、纺织、造纸、 军工、电子、航天、医药、建筑及环境保护等行业[1], 但同时过氧 化氢对人类也具有致癌危险性, 能加速人体的衰老过程, 缩短人 的寿命等。纯净的过氧化氢是比较稳定的, 在30℃时, 纯的H 2O 2 一年中的分解率仅为 1% , 只有混有少量的杂质或在加热、光照 的条件下它的不稳定性才会表现出来, 但大多数情况下是不能 立即分解的[2]。对H 2O 2 催化分解的研究集中在新型催化剂的开 发上, 已经研究过的催化剂有碱金属、碱土金属卤化物及卤酸 盐; 过渡金属化合物; 贵金属、重金属的盐类; 有机金属化合物; 杂多酸及其盐; 过氧化氢酶等[3]。本文是以二氧化锰和活性炭为 催化剂来催化分解 H 2O 2, 以研究其动力学性质。 对过氧化氢分 解动力学的研究既具有一定的理论意义又具有一定的实际意
表 3 不同M nO 2 量催化不同浓度H 2O 2 所得 k 表
H 2O 2 浓度
M nO 2 量 g
0. 12%
0. 18%
0. 24%
0. 30%
0. 05
0. 3268 0. 3007 0. 1240 0. 1114
0. 10
0. 4838 0. 3501 0. 3418 0. 1269
0. 15
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2. 2 速率常数 k 的确定 由不同催化剂催化不同浓度过氧化氢所得V ∞表 1、表 2 数
据, 以ln [V ∞ (V ∞- V t) ]对t 作图, 所得直线斜率即为速率常数 k, 所得结果见表3、表4。实验结果表明, 随着过氧化氢浓度递增 及M nO 2 量的增加, 速率常数k 有规律的增大; 但表4 表明, 随着 过氧化氢浓度增大, 速率常数 k 的变化却没有一定的规律, 可见 二氧化锰的催化活性好, 而活性炭 (粒状) 催化活性差。
义。
1 实验部分 1. 1 仪器与试剂 501 型超级恒温槽。 上海市实验仪器厂 HJ - 2 多头磁力恒温搅拌器。 常州市华普达教学仪器有限 公司
恒温恒压量气装置 (自制) 30% H 2O 2 (A. R ). M nO 2 (A. R ). 活性炭 (A. R ) 1. 2 实验条件和方法 在没有催化剂时, H 2O 2 分解缓慢, P t、A g、M nO 2 等都能加 速它的分解[4], 本实验用M nO 2 及活性炭 (粒状) 为催化剂, 测定 过氧化氢的动力学参数, 过氧化氢分解反应的化学计量式为:
过氧化氢浓度对过氧化氢分解速率常数 k 的影响, 四种浓度下 所得 ln [V ∞ (V ∞- V t ) ]—t 图, 结果见图 1。 结果表明, 随着 H 2O 2 浓度的增大, 反应速率逐渐增大, 但速率常数 k 逐渐减小。
从表4 可看出, 固定活性炭量为1. 10g , 室温条件下, 研究过 氧化氢浓度对过氧化氢分解速率常数 k 的影响, 结果表明, 随着 H 2O 2 浓度递增, 速率常数 k 的变化并没有一定的规律性, 可见 活性炭 (粒状) 的活性弱, 催化能力差。
0. 5348 0. 3579 0. 3430 0. 2713
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0. 7079 0. 6401 0. 5392 0. 4079
表 4 不同活性炭催化不同浓度H 2O 2 所得 k 表
H 2O 2 浓度
活性炭量 g
9%
12%
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0. 50
0. 1269 0. 1741 0. 2658 0. 2685
H 2O 2→H 2O + 1 2O 2 该催化分解反应可视为一级反应, 其速率方程为:
lnC0 C = k t 式中: C0 为H 2O 2 的初始浓度, C 为反应t 时刻H 2O 2 的浓度。 在过氧化氢分解过程中, t 时刻H 2O 2 的浓度C 可通过测量 在相应时间内分解出氧气的体积得出, C0 可通过测量过氧化氢 完全分解时放出氧气的体积V ∞得到, 则有C0∝ V ∞, C∝ (V ∞V t) , 则反应速率方程可转化为:
[J ]. 南京师范高等专科学校学报, 2004, 21 (1) : 85- 86 [ 3 ]辛剑, 孟长功. 基础化学实验 大连理工大学, 北京: 高等
教育出版社, 2004 [ 4 ]朱业晋, 李郧, 王科军等. 过氧化氢催化分解反应的实验
数据处理[J ]. 赣南师范学报, 2004, (6) : 91- 92 [ 5 ]谷宁, 武树兰, 李春梅. H 2O 2 的反应级数随温度变化的
表 2 不同活性炭量催化不同浓度的H 2O 2 所得V ∞表
H 2O 2 浓度 活性炭量 g
9%
12%
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(4) 当H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0. 10g 并加热到40℃ 时, 产生气体最快, 可作为实验室制备O 2 使用。
参考文献 [ 1 ]吴洪达, 黄映恒. 过氧化氢的分解反应 [J ]. 河池师专学 报, 2002, 22 (2) [ 2 ]韦友欢, 李艳丽, 陈小华等. 略谈影响 H 2O 2 分解的因素
实验[J ]. 河北师范大学学报 (自然科学报) , 1994, 18 (4) : 51- 54
— 259 —
ln [V ∞ (V ∞- V t) ]= k t 式 中: V t 为 H 2O 2 在 t 时刻分解放出的氧气的体积, V ∞为 H 2O 2 全部分解放出氧气的体积。 实验采用量气法测量 t 时刻的V t 值[5]。 以 ln [V ∞ (V ∞- V t) ]对 t 作图, 所得直线斜率即为速率常 数 k。 2 结果与讨论 2. 1 V ∞的确定 分别以二氧化锰和活性炭 (粒状) 为催化剂, 用不同质量的 催化剂催化分解不同浓度的过氧化氢, 分别测出反应放出氧气 的量, 并分别作V t—1 t 图, 即可求出不同条件下的V ∞, 结果见 表 1 和表 2。 结果表明, 随着过氧化氢浓度的增大和催化剂量的 增加, V ∞逐渐增大; 而且可以看出, 以二氧化锰为催化剂时所产 生的气体量较接近理论值, 而以活性炭催化剂时所产生的气体 量与理论值相差甚远, 这表明二氧化锰催化能力好, 当过氧化氢 浓度为 0. 30% , 二氧化锰量为 0. 20g 时所产生的氧气量为 99. 0 mL , 与理论值最相符。 表 1 不同M nO 2 量催化不同浓度的H 2O 2 所得V ∞表
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过氧化氢催化分解动力学研究
吉林师范大学化学学院 王秀艳 天津师范大学化生学院 陈 丹
[ 摘 要 ]本文主要是对不同条件下二氧化锰和活性炭催化分解过氧化氢动力学进行研究, 得出两种催化剂二氧化锰 和活性炭催化分解过氧化氢的最适宜条件及有关动力学数据, 从而总结出一些有益于科研与教学的结论。 [ 关键词 ]过氧化氢 催化分解 二氧化锰 活性炭 动力学
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1. 10
0. 3262 0. 2384 0. 3544 0. 3159
2. 2. 1 浓度对动力学参数的影响 从表 3 可看出, 固定二氧化锰量为 0. 20g, 室温条件下, 研究
10g, 研究不同温度对 H 2O 2 分解的影响, 分别测定产生氧气的 量, 并求出V ∞表5, 所得k 值如图3。结果表明, 随着浓度的升高, 所产生氧气量越接近理论值; k 值也随着增大, 反应速率也增 大。当温度为 40℃时, 产生气体最快, 可作为实验室制备氧气使
用。
温度 ℃ V ∞ mL
2. 2. 2 催化剂量对动力学参数的影响 表 3 结果表明, 固定H 2O 2 浓度为 0. 3% , 室温条件下, 研究 催化剂用量对H 2O 2 分解速率常数的影响。 所作 ln [V ∞ (V ∞V t) ]) —t 图, 如图 2, 结果表明, 随着M nO 2 量的增加, 速率常数 也逐渐增大, 表明M nO 2 的催化活性好, 加入M nO 2 有利于H 2O 2
表 5 温度对V ∞的影响
20℃
25℃
30℃
35℃
55. 3
62. 0
76. 0
87. 5
40℃ 106. 9
由 lnk= - Ea R T + B 式, 以 lnk 对1 T 作图, 见图4, 由截距 可求出活化能 Ea= 0. 5879J ·m o l- 1。
3 结论 (1) 以M nO 2 为催化剂所产生的气体量较接近理论值, 速率 常数随着 H 2O 2 浓度的递增而增大, 随着M nO 2 量的增加也增 大, 表明M nO 2 的催化活性好。 (2) 以活性炭为催化剂所产生的气体量与理论值相差甚远, 其速率常数随着 H 2O 2 浓度及M nO 2 量的递增没有一定的规律 性, 表明活性炭的催化活性差。 (3) 当H 2O 2 浓度为0. 30% ,M nO 2 量为0. 20g 时所产生的气 体量与理论值最相符。