过氧化氢的催化分解实验报告

过氧化氢的催化分解

一、实验目的：

1．用静态法测定H 2O 2分解反应的速度常数和半衰期。

2．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。

3．掌握量气技术和体积校正，学会用图解计算法求出一级反应的速度常数。

二、实验原理：

1. 凡反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应，称为一级反应，实验证明H 2O 2的分解反应如下：

2 H 2O 2 → 2 H 2O + O 2 （1）

2. 若该反应属于一级反应，则其速度方程应是：

式中：C H2O2—时间t 时的H 2O 2浓度； k —反应速度常数。

3. 化学反应速度取决于许多因素，如反应物浓度、搅拌速度、反应压力、温度、催化剂等等。某些催化剂可以明显的加速H 2O 2 的分解，它们有Pt 、Ag 、MnO 2、FeCl 3、碘化物。本实验用I -（具体用KI ）作为催化剂。由于反应在均匀相（溶

液）中进行，故称为均相催化反应。 设该反应为一级反应，且按下列式进行：

H 2O 2 + I - → H 2O + IO - （A ）

H 2O 2 + IO - → H 2O + O 2 （B ） 则因 及

其总反应速度为上两式之和，即：

则 k A C I - = k B C IO- [][]dt C d dt C d B

O H A O H 2

22

2-=-222

2O H O H kC dt dC =-)2(()2

22

2O H IO B I A O H C C k C k dt dC --+=-2222·H O A A H O I d C k C C dt

-⎡⎤⎣⎦-=2222·H O B B H O IO d C k C C dt -⎡⎤⎣⎦-=

亦即反应速度应为：

由于催化剂在反应前后的浓度是不变的，C I-或C IO-就可视为常数，令k =2k A C I - = 2k B C IO –

最后得：

若反应（A ）的速度慢于反应（B ），则整个反应速度决定于反应（A ），因而可假定其速度方程式，即为：

从而亦可简化为：

2222H O A H O I dC k C C dt --

=⋅

式（3）表示，H 2O 2的分解反应为一级反应。

尽管k 会因C I –而变，但对H 2O 2分解来说，则仍是一级反应。

4. 一级反应的积分式为

ln C H2O2 = - k t + ln C 0H2O2 （4）

上式中C 0H2O2 是反应开始时H 2O 2的浓度（摩尔/升）

公式（4）为直线方程，故我们若以ln C H2O2对时间作图而得一直线时，则可验证反应为一级反应。该直线之斜率为-k ，截距为ln C H2O2。

5. 由于分解过程中放出的氧气体积与已被分解的H 2O 2浓度成正比，比例常数为定值，故在相应时间内分解放出氧的体积即可得出时刻t 的H 202浓度。 令V f 表示H 2O 2全部分解时产生的O 2气体体积。Vt 表示在t 时刻分解所放出的O 2气体体积，则显然

C 0H2O2 ∞ V f C H2O2 ∞（V f -V t ）

代入（4）式，得：

ln （V f -V t ）= - k t + ln V f (5)

V f 可由H 2O 2的体积及浓度算出。标定C H2O2之方法如下：按其分解反应的化学方程式可知一摩尔H 2O 2放出1/2摩尔O 2，在酸性溶液中以高锰酸钾标准溶222

2O H O H kC dt dC =-)

3(2222O H O H kC dt

dC =-)3(22222222?H O A H O B H O I IO dC k C C k C C dt ---=⋅=2222H O A H O I dC k C C dt --=⋅

液滴定H 2O 2 ,求出C H2O2，就可由下式算出V f ：

P O2—氧分压即大气压减去实验温度下水的饱和蒸汽压。

T —即量气管的温度（K ）

V f 亦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。

6. 当C H2O2=1/2 C 0H2O2时，t 可用t 1/2 表示，称为反应半衰期，代入式（4）得

上式表示：当温度一定时，一级反应的半衰期与反应速度常数成反比,与反应初浓度无关。 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（质量分数为2%）；KI 溶液（0.1mol/L ）；H 2SO 4溶液（

3.0mol/L ） KMnO 4标准溶液（0.05mol/L ）。

四、实验步骤：

1. 在图20-1所示装置中，将水准球内加水，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，使水面恰在量气管“0”刻度处，然后切断大气通路，)7(k

k t 693.02ln 2/1==

)8(222222H O H O f O C V RT V P ⋅=⋅44222252KMnO KMnO H O H O C V C V ⋅=⨯