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H2O2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H2O2的分解反应如下：2H2O2→2H2O+O2（1）2.若该反应属于一级反应，则其速度方程应是：式中：CH2O2—时间t时的H2O2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H2O2的分解，它们有Pt、Ag、MnO2、FeCl3、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：H2O2+I-→H2O+IO-（A）H2O2+IO-→H2O+O2（B）则因及其总反应速度为上两式之和，即：则kACI-=kBCIO-dtCddtCdBOHAOH22222222OHOHkCdtdC)2(2222OHIOBIAOHCCkCkdtdC2222·HOAAHOIdCkCCdt2222·HOBBHOIOdCkCCdt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，CI-或CIO-就可视为常数，令k=2kACI-=2kBCIO–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：2222HOAHOIdCkCCdt式（3）表示，H2O2的分解反应为一级反应。尽管k会因CI–而变，但对H2O2分解来说，则仍是一级反应。4.一级反应的积分式为lnCH2O2=-kt+lnC0H2O2（4）上式中C0H2O2是反应开始时H2O2的浓度（摩尔/升）公式（4）为直线方程，故我们若以lnCH2O2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lnCH2O2。5.由于分解过程中放出的氧气体积与已被分解的H2O2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H202浓度。令Vf表示H2O2全部分解时产生的O2气体体积。Vt表示在t时刻分解所放出的O2气体体积，则显然C0H2O2∞VfCH2O2∞（Vf-Vt）代入（4）式，得：ln（Vf-Vt）=-kt+lnVf(5)Vf可由H2O2的体积及浓度算出。标定CH2O2之方法如下：按其分解反应的化学方程式可知一摩尔H2O2放出1/2摩尔O2，在酸性溶液中以高锰酸钾标准溶2222OHOHkCdtdC)3(2222OHOHkCdtdC)3(22222222?HOAHOBHOIIOdCkCCkCCdt2222HOAHOIdCkCCdt液滴定H2O2,求出CH2O2，就可由下式算出Vf：PO2—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）Vf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Vt作图，将直线外推至1/t=0，其截距即Vf。（b）加热法：在测定若干个Vt数据后，将H2O2加热至50—60℃约15分钟，可认为H2O2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Vf，同学们可自择二者之一，与滴定结果作对照。6.当CH2O2=1/2C0H2O2时，t可用t1/2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：H2O2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：H2O2溶液（质量分数为2%）；KI溶液（0.1mol/L）；H2SO4溶液（3.0mol/L）KMnO4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H2O2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，)6()7(kkt693.02ln2/199)8()8(222222HOHOfOCVRTVP44222252KMnOKMnOHOHOCVCV打开搅拌器开关，同时记下时间，此时KI容器倾倒，KI溶于H2O2溶液中，分解反应开始，当O2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上。定时（每2.0分钟）读出量气管中气体体积（或定体积地读出反应时间，每5mL读一次）。直到量气管中O2体积超过50mL。6.选用加热求Vf时，接通电源使水浴升温，温度可达到50℃，一刻钟后从水浴中移出反应瓶，冷却至室温后读出量气管读数V和T（k），记下当时的大气压力，计算出Vf。7.最后标定所用H2O2的原始浓度：用移液管取2mlH2O2放在锥形瓶中，加入10ml3mol/LH2SO4酸化后用已知浓度的KMnO4标准溶液滴定至淡红色为止。8.根据公式7计算出H2O2的浓度。图19-1H2O2分解速率测定装置（在注入溶液前先将搅拌棒放入锥形瓶中）。1-电磁搅拌器；2-锥形瓶；3-橡皮塞；4-三通活塞；5-量气管；6-水准瓶五、数据记录和处理1.数据记录：时间/minO2气体体积Vt/ml2．计算H2O2的初始浓度及Vf，列出t、Vt、（Vf-Vt）及ln(Vf-Vt)表。标定2mlH2O2用去0.05mol/L的KMnO4标准溶液7.36ml。根据公式7==0.46mol/L=5.8×10-5m3=58mlT/minVt/mlVf-Vt/mlln(Vf-Vt)00.157.94.05925.552.53.961410.547.53.861613.045.03.807817.041.03.7141020.537.53.6241222.036.03.5841424.034.03.5261627.031.03.4341828.529.53.3842030.527.53.314024681012141618202224262830320.15.510.513.017.020.522.024.027.028.530.532.033.535.036.538.038.544222252KMnOKMnOHOHOCVCV0.057.36522222222HOHOfOCVRTVP0.460.0108.314(25273)210130031672（-.）2232.026.03.2582433.524.53.1992635.023.03.1352836.521.53.0683038.020.02.9963238.519.52.9703．以ln(Vf-Vt)对t作图，求出曲线斜率及k。计算反应的半衰期t1/2。-5051015202530352.83.03.23.43.63.84.04.2ln(Vf-Vt)t/min根据图可求得直线的斜率m=-0.0336；t1/2=-0.693/m=0.693/0.0336=20.63min。附录：标准溶液的配制与标定1.0.05mol/LKMnO4的配制：称取14gKMnO4（分析纯）于烧杯中，分次溶解（可加热）稀释至2000ml，放在暗处，2—3天后标定。2.3mol/LH2SO4的配制：先量取833mlH2O于瓶中，慢慢倒入16.7mlH2SO4（浓）。3.2%H2O2：将60ml34%H2O2稀释至1000ml。4.KMnO4标准溶液的标定：称取0.12—0.19g草酸（准确至小数点后四位）于250ml的锥形瓶中，加蒸馏水33.3ml，加3mol/LH2SO46.7ml，加热至80—90℃，取下，加3mol/LH2SO4溶液2滴，趁热用KMnO4滴至粉红终点时溶液温度应在60℃以上（颜色在一分钟内不消失）。G(g):称取草酸的质量；V（ml）：消耗KMnO4溶液的体积。VGCKMnO17.34