过氧化氢的催化分解

过氧化氢的催化分解

一、实验原理

过氧化氢水溶液在室温下，没有催化剂存在时，分解反应进行得很慢，但在含有催化剂I –的中性溶液中，其分解速率大大加快，反应式为：2H 2O 2 == 2H 2O + O 2(g)

反应机理为： H 2O 2 + I – → H 2O + IO – k 1 (慢) (1) H 2O 2 + IO – → H 2O + O 2(g) + I – k 2 (快) (2) 整个分解反应的速率由慢反应(1)决定，速率方程为： 22

-22H O 1H O I dc k c c dt

-

=

因反应(2)进行得很快且很完全，I –的浓度始终保持不变，故上式可写成： 22

22H O H O dc kc dt

-

=

式中，-1I k k c =，k 为表观反应速率常数。将上式积分得 0

ln

c kt c

= 此式表明，反应速率与H 2O 2浓度的一次方成正比，故称为一级反应。将上式积分得：

01ln ln c t k c t +-=

式中c 0、c t 分别为反应物过氧化氢在起始时刻和t 时刻的浓度。 反应半衰期为： 1

12/1693

.02ln k k t =

=

设H 2O 2完全分解时放出O 2的体积为V ∞，反应t 时放出O 2的体积为V ， 则c 0∝V ∞，c ∝(V ∞ – V )，故 ln

V kt V V ∞

∞=-

ln

-V V

kt V ∞∞

-= ln -+ln V V kt V ∞∞-=（）

以ln(V ∞ – V )对t 作图应得一直线，从直线斜率(– k )即可求得H 2O 2分解反应的速率常数。故实验需测定反应不同时刻O 2的体积V 及H 2O 2完全分解时O 2的体积V ∞。V ∞可用下法之一求出。

(a) 加热法 在测定若干个V 数据后，将H 2O 2溶液加热至50~60 ℃ 约15 min ，可以认为H 2O 2已分解完全，待冷却至室温后，记下量气管的读数，即为V ∞。

(b) 浓度标定法 用KMnO 4标准溶液对H 2O 2原始浓度进行标定，O 2近似按理想气体处理，则有

222

2

222

H O H O O O O 2c V RT RT V n p p ∞⋅=⋅=⋅ 式中，2O p 为O 2的分压，是外界大气压与实验温度下水的饱和蒸气压之差。

二、仪器和试剂

量气装置 1套（见图）：恒温电磁搅拌器/量气管（含三通活塞和胶管）/水位瓶（以漏斗或量气管代替），秒表 1块，移液管（10mL ，25mL ）各 1支，容量瓶，锥形瓶，酸式滴定管；约H 2O 2（3%），KI （0.2mol . dm –3），H 2SO 4（3mol . dm –3）。

图1 H 2O 2分解反应速率测量装置

1.电磁搅拌；

2.茄形瓶（或锥形瓶）；

3.橡胶塞；

4.活塞；

5.量气管；

6.水准瓶；

7.塑料盖 三、实验步骤

1．按图所示安装好仪器装置，检查装置是否漏气（检查漏气时可观察量气管中液面是否随水位瓶下降而下降）。水位瓶中装入红色染料水，其水量要使水位瓶提起时，量气管和水位瓶中的水面能同时达到量气管的最高刻度处。

试漏。旋转活塞4使量气管与大气相通，举高水准瓶，使液体充满量气管。然后旋紧橡胶塞

3，通过反复调整水准瓶和活塞到合适的位置，让反应体系和量气管相通而与大气隔绝的情况下，量气管内液面的位置在刻度1.00附近。读取量气管液面对应的读数。然后把水准瓶放在较低的位置，若量气管中的液面仅在初始有下降，而在随后2 min 内保持不变，表示系统不漏气；否则应找出系统漏气的原因，并设法排除之。

注意：读取量气管读数时务必使水准瓶内液面和量气管内液面处于同一水平。 提示：系统漏气多发生在茄形瓶磨口塞处，可涂抹凡士林或真空脂。

3．用移液管（或滴定管）移取25 mL 浓度约为3 %的H 2O 2溶液放入锥形瓶中，另外移入25 mL 蒸馏水，加入磁搅拌子，用吸量管移取5mL 0.2 mol . dm –3 KI 放入到小塑料盖内，再用镊子将其小心放入到盛有H 2O 2溶液的茄形瓶中，让盖子漂浮在液面上，不能让H 2O 2接触到K 。

3．用手摇动茄形瓶，使塑料盖中的KI(s)与H 2O 2充分混合，记录反应起始时间，同时开启电磁搅拌开关，调节搅拌速度至中档。反应过程中不断调节水位瓶高低，保持水位瓶与量气管中水平面一致。量气管读数与零时刻读数之差即为等压下H 2O 2分解所放出O 2的体积。量气管内O 2体积以等时间间隔读取一次，若温度高，反应速率快，读取时间间隔宜以0.5 min ；若温度低，反应慢，宜以1 min 为准。最后都要测至量气管中O 2的体积增加到50 mL 为止。 4．改变KI 或H 2O 2的浓度（也可改变反应温度），重复上述步骤，测定H 2O 2分解速率。

表1 浓度对反应速率的影响 室温_________

注：由于含有强电解质KI 的水溶液的离子强度对反应速率的影响，若用不同的c KI 作实验时，应外加第三组分（如KCl ）以调节溶液的离子强度，使它们相同。 5．过氧化氢的准确浓度的标定。

（1）移取实验用约1mol . dm –3 H 2O 2 10 mL 放入250 mL 容量瓶中，用水稀释至刻度并摇匀。（2）移取25 mL 稀释后的H 2O 2溶液放入锥形瓶中，加3 mol . dm –3 H 2SO 4 5 mL ，用0.02mol . dm –3 KMnO 4标准溶液滴定至淡红色为止，读取消耗KMnO 4标准溶液的体积。重复三次，取平均值。

反应式为：5 H 2O 2 + 2 MnO 4– + 6 H + == 2 Mn 2+ + 5 O 2 + 8 H 2O

根据滴定所用去的KMnO 4标准溶液的体积即可求得H 2O 2的原始浓度，继而可求得V ∞。