实验文档

实验文档包含

  1. 教师须知
  2. 实验报告
  3. 附带样本数据的实验后Excel电子表格

教师须知

  1. H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 的CAS号是 7722-84-1。碘化钾 (KI) 的CAS号是 7681-11-0。
  2. 由于我们不标定 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}，我们在使用前一周购买 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}。
  3. 为帮助学生进行计算，我们简要描述了如何将时间“重置”为最后一种试剂加入的时刻，以及如何计算 PO2\mathrm{P}_{\mathrm{O} 2} 和 ΔPf\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}。

气体压力传感器监测下的碘化物催化的过氧化氢分解动力学；积分速率法

目的

使用积分速率法，测定关于 KI 的反应级数以及关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 的反应级数。测定速率常数。

引言

H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 的分解反应是

2H2O2(aq)⟶2H2O(l)+O2(g)\begin{equation*} 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}(a q) \longrightarrow 2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(l)+\mathrm{O}_{2}(g) \tag{1} \end{equation*}

在通常条件下，这个反应很慢。将加入一种催化剂 ( I−\mathrm{I}^{-}) 来加快反应速率。为确定速率定律，将测量作为时间函数的气体压力（空气加上反应产生的 O2( g)\mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g})）。由于空气压力在整个反应过程中保持不变，并且可以在反应开始时测量，因此可以从每个数据点中减去该值，以得到作为时间函数的氧气分压 ( PO2\mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}} )。反应的速率定律将使用积分速率法来确定。

理论

速率方程是

 速率 =−d[H2O2]2dt=k[I−]i[H2O2]h=k′[H2O2]h\begin{equation*} \text { 速率 }=-\frac{\mathrm{d}\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]}{2 \mathrm{dt}}=\mathrm{k}\left[\mathrm{I}^{-}\right]^{\mathrm{i}}\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]^{\mathrm{h}}=\mathrm{k}^{\prime}\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]^{\mathrm{h}} \tag{2} \end{equation*}

其中

k′=k[I−]i\begin{equation*} \mathrm{k}^{\prime}=\mathrm{k}\left[\mathrm{I}^{-}\right]^{\mathrm{i}} \tag{3} \end{equation*}

k'，即准速率常数，在此是一个常数，因为 I−\mathrm{I}^{-} 是催化剂且中间体寿命极短。如果反应关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 是一级的，则方程的积分形式是

−ln⁡([H2O2]t[H2O2]0)=2k′t\begin{equation*} -\ln \left(\frac{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}}}{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0}}\right)=2 \mathrm{k}^{\prime} \mathrm{t} \tag{4} \end{equation*}

其中 [H2O2]t\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}} 是在时间 t 时的浓度，[H2O2]0\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0} 是反应开始时的浓度。

考虑以下定义

PO2= 在时间 t 时的压力 − 反应开始时的压力 ΔPf= 反应完成时的压力 − 反应开始时的压力 \begin{align*} & \mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}}=\text { 在时间 t 时的压力 } - \text { 反应开始时的压力 } \tag{5}\\ & \Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}=\text { 反应完成时的压力 }- \text { 反应开始时的压力 } \tag{6} \end{align*}

在时间 t\mathrm{t} 时的 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 浓度 ([H2O2]t)\left(\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}}\right) 和初始 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 浓度 ([H2O2]0)\left(\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0}\right) 通过以下方程式与 ΔPf\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}} 和 PO2\mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}} 相关

[H2O2]t=q(ΔPf−PO2)\begin{equation*} \left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}}=\mathrm{q}\left(\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}-\mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}}\right) \tag{7} \end{equation*}

和

[H2O2]0=qΔPf\begin{equation*} \left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0}=\mathrm{q} \Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}} \tag{8} \end{equation*}

其中 q 是一个比例常数。 因此

−ln⁡([H2O2]t[H2O2]0)=−ln⁡(ΔPf−PO2ΔPf)=2k′t\begin{equation*} -\ln \left(\frac{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}}}{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0}}\right)=-\ln \left(\frac{\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}-\mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}}}{\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}}\right)=2 \mathrm{k}^{\prime} \mathrm{t} \tag{9} \end{equation*}

其中

k′=k[I−]i\begin{equation*} \mathrm{k}^{\prime}=\mathrm{k}\left[\mathrm{I}^{-}\right]^{\mathrm{i}} \tag{10} \end{equation*}

如果反应关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 是二级的，则适用的方程式是

1[H2O2]t−1[H2O2]0=1ΔPf−PO2−1ΔPf=2qk′′t\begin{equation*} \frac{1}{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{\mathrm{t}}}-\frac{1}{\left[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}\right]_{0}}=\frac{1}{\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}-\mathrm{P}_{\mathrm{O}_{2}}}-\frac{1}{\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}}=2 \mathrm{qk}^{\prime \prime} \mathrm{t} \tag{11} \end{equation*}

其中

k′′=k[I−]i\begin{equation*} \mathrm{k}^{\prime \prime}=\mathrm{k}\left[\mathrm{I}^{-}\right]^{\mathrm{i}} \tag{12} \end{equation*}

假设的提出与检验

假设 1：反应关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 是一级的。 假设 1 的检验 −ln⁡(ΔPf−PO2ΔPf)-\ln \left(\frac{\Delta P_{\mathrm{f}}-P_{O_{2}}}{\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}}\right) 对时间 ( t ) 作图。如果作图为线性，则假设成立。斜率为 2k′2 \mathrm{k}^{\prime}。

假设 2

反应关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 是二级的。

假设 2 的检验

(ΔPf−ΔPt)−1\left(\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{f}}-\Delta \mathrm{P}_{\mathrm{t}}\right)^{-1} 对时间作图。如果作图为线性，则假设成立。斜率等于 2qk′′2 \mathrm{qk}^{\prime \prime}。 如果反应关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 是二级的，q 的值会保留在最终方程式中，因此需要被确定。q 的实验值可以使用方程式 8 来确定。

一旦关于 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 的级数被确定，方程式 10 和 12 表明，关于 I−\mathrm{I}^{-} 的级数可以通过保持 H2O2\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 浓度固定，改变 I−\mathrm{I}^{-} 浓度并确定斜率 k′\mathrm{k}^{\prime} 或 k′\mathrm{k}^{\prime} 来确定。考虑方程式 10，并取自然对数

ln⁡(k′)=i⋅ln⁡[I−]+ln⁡(k)\begin{equation*} \ln \left(\mathrm{k}^{\prime}\right)=\mathrm{i} \cdot \ln \left[\mathrm{I}^{-}\right]+\ln (\mathrm{k}) \tag{13} \end{equation*}

因此，ln⁡(k′)\ln \left(\mathrm{k}^{\prime}\right) 对 ln⁡[I−]\ln \left[\mathrm{I}^{-}\right] 的作图将得到一条直线，其斜率等于关于 I−\mathrm{I}^{-} 的级数，截距等于 ln⁡(k)\ln (\mathrm{k})。同样的方法也适用于方程式 12。

实验部分

危险性： H2O2\quad \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 溶液是氧化剂。避免物理接触。

材料与设备

GLXTM\mathrm{GLX}^{\mathrm{TM}} (Pasco Scientific)，压力传感器 (Pasco Scientific)，闪存盘（学生自带），125−mL125-\mathrm{mL} 烧瓶，单孔塞（#2），玻璃管（适配橡皮塞孔并用于连接压力传感器管道），1.00 mL 自动移液器，移液器吸头，搅拌器，磁力搅拌子，温度计，小烧杯，30%H2O230 \% \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2}，2.00MKI2.00 \mathrm{M} \mathrm{KI}，

实验装置如图 1 所示。应将橡皮塞紧紧插入烧瓶，以避免反应过程中爆开。玻璃管和与压力传感器的连接器是添加试剂的位置。

图 1：实验装置

步骤

  1. 按图 1 所示进行设置。
  2. 使用自动移液器，加入表 1 中实验 1 所示体积的水和 2.00MKI(aq)2.00 \mathrm{M} \mathrm{KI}(\mathrm{aq})。
  3. 测量烧瓶中溶液的温度。
  4. 将橡皮塞紧紧按入过滤烧瓶中。
  5. 设置数据记录器以 0.1 kPa 的灵敏度进行测量。 a) 通过连接外部电源线为数据记录器供电。这将自动开启设备。尽管数据记录器有电池，但务必通过电源线运行系统。
  6. 配置数据记录器以在 y 轴上绘制压力 ( kPa ) 并将压力测量到 1 位小数。 a) 按 Home，然后按 F1 查看绘图配置文件。 b) 按 Check 突出显示 y 轴。再次按 Check 并使用箭头根据需要上下移动来确认或选择 y 轴的压力。 c) 按 Check 突出显示 y 轴，再次按 Check 查看选项。使用向下箭头选择数据属性并按 Check 查看选项。在数据属性内，使用箭头向下滚动到位数。使用 + 号增加 位数至 2，按 OK 应用更改。
  7. 配置数据记录器以每 2 秒进行一次测量

按 Home →\rightarrow 选择传感器 (F4)，这将突出显示采样速率单位，Check →\rightarrow 选择秒 →\rightarrow 使用向下箭头，滚动到采样速率，Check，使用向下箭头，滚动到 2，Check。按 Home 然后按 F1 返回图表模式。

  1. 开始测量以获取基线压力。
  2. 将 0.50 mL30%H2O20.50 \mathrm{~mL} 30 \% \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 加入过滤烧瓶中，并立即通过将管道连接到管道连接器来密封系统。
  3. 继续测量直到反应完成，表现为压力读数稳定。
  4. 保存到闪存盘。

仍在图表模式下时，记下实验编号（屏幕左上角）。

Home →F2→Check→\rightarrow \mathbf{F2} \rightarrow \mathbf{Check} \rightarrow 向上箭头（以允许选择正确的实验编号）→\rightarrow Check →\rightarrow 如有必要，滚动到正确的实验编号。此时，应显示一个包含相关数据的表格。如果列是空的，按 Check，这应该会突出显示第一列的标题。按 Check 并使用箭头为该列选择数据。对于第一列，选择时间。在单击第二列的标题后，选择压力。该表格现在应包含时间-压力数据。请务必记录数据记录器上的哪个实验对应表 1 中的哪个实验。

  1. 对其余实验重复以上步骤。
  2. 使用自动移液器，测量由自动移液器移取的 1.00 mL 30%H2O230 \% \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2} 溶液的质量。再加入 1.00 mL 并测量质量。重复此过程直到完成四次添加。

表 1：反应混合物体积

实验编号 V(30%H2O2)/mL\mathbf{V}\left(\mathbf{30} \% \mathbf{H}_{\mathbf{2}} \mathbf{O}_{\mathbf{2}}\right) \mathbf{/ m L} V(2.00 M KI)/mL\mathbf{V}(\mathbf{2 . 0 0} \mathbf{~ M} \mathbf{~ K I}) \mathbf{/m L} V(H2O)/mL\mathbf{V}\left(\mathbf{H}_{\mathbf{2}} \mathbf{O}\right) \mathbf{/ m L}
1 0.50 5.00 5.00
2 0.50 3.00 7.00
3 0.50 2.00 8.00
4 0.50 1.00 9.00
5 0.50 0.50 9.50

实验后

使用你的教师提供的 Excel 电子表格进行计算。