1、實(shí)驗(yàn)二 過氧化氫分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?熟悉一級(jí)反應(yīng)特點(diǎn)，了解反應(yīng)物濃度、溫度、催化劑等因素對(duì)一級(jí)反應(yīng)速度的影響。2用靜態(tài)法測(cè)定H2O2分解反應(yīng)的速度常數(shù)和半衰期。3掌握量氣技術(shù)，學(xué)會(huì)用圖解計(jì)算法求出一級(jí)反應(yīng)的速度常數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理： 凡是反應(yīng)速度只與反應(yīng)濃度的一次方成正比的反應(yīng)稱為一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，過氧化氫的反應(yīng)機(jī)理為一級(jí)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)速度取決于反應(yīng)物的濃度、溫度、反應(yīng)壓力、催化劑、攪拌速度等許多因素。過氧化氫在沒有催化劑存在時(shí)，分解反應(yīng)進(jìn)行的很慢。許多催化劑如Pt、Ag、MnO2、FeCl3、碘化物等都能加速H2O2分解。過氧化氫分解反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式如下： H2O2(l) = H2

2、O(l) + 1/2O2(g)若以KI為催化劑，在KI作用下催化分解步驟為： KI(l) + H2O2(l) = KIO + H2O(l) （慢） KIO = KI(l) + 1/2O2(g)由于第一步的速率比第二步慢得多，所以，第一步為反應(yīng)的控制步驟。因而可以假定其反應(yīng)的速率方程式為： -dcA/dt =kcKIcA式中，cA為反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)到t時(shí)刻H2O2濃度，因KI在反應(yīng)過程中濃度不變，故上式可簡(jiǎn)化為 - dcA/dt = kcA （2.1）式中k=kcKI, 將上式分離變量積分： 當(dāng) t=0 時(shí)， CA=C0 ； t=t 時(shí)， CA=C t ；定積分式為： （2.2）積分結(jié)果： （2.

3、3）式是的直線方程。反應(yīng)進(jìn)行過程中，測(cè)定不同時(shí)刻 t 時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中H2O2的濃度ct，取得若干組ct、t 的數(shù)據(jù)后，以lnct對(duì)t 作圖，得一直線，表明該反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)（準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)），直線斜率為-k。 在H2O2催化分解過程中t時(shí)刻H2O2的濃度可通過測(cè)量相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)分解放出的氧氣的體積得出。放出的氧氣的體積與分解了的H2O2的量成正比，其比例系數(shù)為定值。令Vf表示H2O2全部分解放出的氧氣的體積，Vt表示H2O2在t時(shí)刻分解放出的氧氣體積，則： ; co Vf， ct （VfVt）將上述關(guān)系代入（14.3）式，得： ln（VfVt）= - kt + ln Vf (2.4) 如果以ln（VfV

4、t）對(duì)t 作圖得一直線，即驗(yàn)證是一級(jí)反應(yīng)；由直線斜率m可求出速率常數(shù)k，m = - k 。 (2.4)為ln（VfVt） t的直線方程，式中Vf為H2O2全部分解放出的氧氣體積，反應(yīng)溫度及KI濃度一定時(shí)，它不隨時(shí)間改變。實(shí)驗(yàn)過程中只需要測(cè)定反應(yīng)進(jìn)行的不同時(shí)刻t時(shí)H2O2分解放出的氧氣體積Vt(若干個(gè)數(shù)據(jù))和反應(yīng)終了時(shí)H2O2全部分解放出的氧氣體積Vf（一個(gè)數(shù)據(jù)），以ln（VfVt）對(duì)t作圖得一直線，直線斜率為k，用作圖法可求出反應(yīng)速率常數(shù)k。Vf可采用下面兩種方法來求得：（a）外推法：以1/t為橫坐標(biāo)，對(duì)Vt作圖，將直線外推至1/t=0，其截距即Vf。（b）加熱法：在測(cè)定若干個(gè)Vt數(shù)據(jù)后，將H

5、2O2加熱至5060約15分鐘，可認(rèn)為H2O2已基本分解完畢，待溶液冷卻到實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，讀出量氣管讀數(shù)即為Vf，同學(xué)們可自擇二者之一，與滴定結(jié)果作對(duì)照。當(dāng)時(shí)，t可用t1/2表示，即為反應(yīng)的半衰期. 由（2.3）式變換得： （2.5） （2.6） 從式（2.6）可見，在溫度一定時(shí)，一級(jí)反應(yīng)的半衰期應(yīng)與反應(yīng)的速度常數(shù)成反比，而與反應(yīng)物的初始濃度無關(guān)。三、儀器和藥品：1. 儀器：H2O2分解速率測(cè)定裝置；滴定管；秒表；移液管（5、10、20ml）；錐形瓶（150、250ml）。 2. 藥品：H2O2溶液（現(xiàn)配，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）；KI固體；H2SO4溶液（3.0mol/L） KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.05

6、mol/L）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：（濃度不用標(biāo)定，直接按質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%換算成摩爾濃度） (一) 配制試劑； (二) 按圖2-1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；(三) 測(cè)量過程；1. 試漏：將水準(zhǔn)球內(nèi)加水，2/3容積為準(zhǔn)，使水位與量氣管滿刻度處齊平。（打開三通活塞，使大氣與量氣管相通）。與此同時(shí)調(diào)節(jié)恒溫槽溫度。2. 調(diào)節(jié)恒溫槽溫度：在1000ml燒杯中加入250ml水，水溫控制在25左右并使在實(shí)驗(yàn)中能夠基本恒定。燒杯放在攪拌器座上。夾好測(cè)溫用溫度計(jì)。3. 用移液管移取己恒溫至25的10ml水放入潔凈干燥的錐形瓶中，再移取10ml已恒溫到同樣溫度的H2O2 注入到錐形瓶中。將已準(zhǔn)確稱量好的KI試劑 0.160克小心放在液

7、面上勿使KI與液面接觸，最后塞好橡皮塞，進(jìn)行試漏。 4. 把錐形瓶小心的放入恒溫槽，將三通活塞 4 旋與大氣、量氣管都相通，舉高水準(zhǔn)球使量氣管充滿水，然后再旋活塞 4 切斷與大氣的通路，但仍使系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)通，將水準(zhǔn)瓶放到最低位置，若量氣管中水位在2分鐘內(nèi)保持不變，說明系統(tǒng)不漏氣，可以進(jìn)行分解反應(yīng)。 5. 旋動(dòng)三通活塞與大氣相通，使水面在量氣管的頂部刻度處，然后切斷大氣通路，打開攪拌器開關(guān)，同時(shí)記下時(shí)間，此時(shí)KI容器傾倒，KI溶于H2O2溶液中，分解反應(yīng)開始，當(dāng)O2開始釋放出后應(yīng)隨時(shí)保持水準(zhǔn)瓶和量氣管液面在一水平線上。定時(shí)（每1.0分鐘或30秒）讀出量氣管中氣體體積（或定體積地讀出反應(yīng)時(shí)間，每5m

8、L讀一次）。直到量氣管中O2體積超過50mL。6. 選用加熱求Vf 時(shí)，接通電源使水浴升溫，溫度可達(dá)到50，一刻鐘后從水浴中移出反應(yīng)瓶，冷卻至室溫后讀出量氣管讀數(shù)V和T（k），記下當(dāng)時(shí)的大氣壓力，計(jì)算出Vf 。圖2-1 H2O2分解速率測(cè)定裝置 （在注入溶液前先將攪拌子放入錐形瓶中）。1-磁力攪拌器；2-錐形瓶；3-橡皮塞；4-三通活塞；5-量氣管；6-水準(zhǔn)瓶五、數(shù)據(jù)記錄和處理1. 數(shù)據(jù)記錄：時(shí)間/minO2氣體體積Vt/ml0 2 4 6810322根據(jù)H2O2的初始濃度計(jì)算Vf，列出t、Vt、（Vf -Vt）及l(fā)n(Vf-Vt)表。根據(jù) T/minVt/mlVf -Vt/mlln(Vf -

9、Vt)0 2 4 6 81012141618323 以ln(Vf -Vt)對(duì)t作圖，求出曲線斜率及k。計(jì)算反應(yīng)的半衰期t1/2。六、思考題 1、讀取氧氣體積時(shí)，為什么量氣管與水準(zhǔn)瓶中水面要處于同一水平面？答：反應(yīng)開始前量氣管里水面所受的壓力與水準(zhǔn)瓶水面所受的壓力是一樣的，都是P。反應(yīng)開始后，由于氧氣的產(chǎn)生，水面所受的壓力增大而降低。讀取氧氣體積時(shí)，使量氣管及水準(zhǔn)瓶中水面處于同一水平面，就是繼續(xù)保持兩邊液面上的壓力相等，這樣測(cè)出來的氣體體積才是當(dāng)時(shí)大氣壓下的體積。附錄：標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制與標(biāo)定1. 0.05mol/L KMnO4的配制：稱取14g KMnO4（分析純）于燒杯中，分次溶解（可加熱）稀釋至2000ml，放在暗處，23天后標(biāo)定。2. 3mol/L H2SO4 的配制：先量取833mlH2O 于瓶中，慢慢倒入16.7mlH2SO4（濃）。3. 2% H2O2 ：將60ml 34% H2O2 稀釋至1000ml。4. KMnO4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定：稱取0.120.19g草酸（準(zhǔn)確至小數(shù)