Metale Nieżelazne 05.03.2002

Inżynieria Materiałowa

Rok II

Ćwiczenie 12

Kinetyka reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej - - Kataliza heterogeniczna

Piotr Włoch

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie szybkości rozkładu wody utlenionej w obecności różnych ilości katalizatora (MnO₂) oraz w roztworze niezawierającym tego katalizatora, a także jakościowe sprawdzenie wpływu intensywności mieszania roztworu na szybkość reakcji w obecności katalizatora. Wykorzystując uzyskane wyniki pomiarowe należy stwierdzić, czy podane niżej równania opisują zadowalająco kinetykę badanego procesu oraz wyciągnąć wnioski odnośnie do przyjętej hipotezy roboczej. W przypadku stwierdzenia zgodności równań z wynikami pomiarowymi należy wyznaczyć współczynniki równań oraz przeprowadzić dyskusję wyników.

Wprowadzenie

W procesach katalizy heterogenicznej katalizator i substraty reakcji tworzą dwie różne fazy. Reakcja jest przyspieszana na granicy faz. Na pierwszy plan wysuwają się problemy struktury powierzchni katalizatora i jego miejsc aktywnych. Katalizator wpływa jedynie na szybkość reakcji chemicznej (przyspiesza lub zwalnia ją), nie posiada natomiast wpływu na równowagę chemiczną. Procesem poprzedzającym zazwyczaj reakcję heterogeniczną jest adsorpcja substancji reagujących.

Tematem niniejszego ćwiczenia jest katalityczny rozkład wody utlenionej. Stechiometrię tej reakcji opisuje równanie:

2 H₂O₂ = 2 H₂O + O₂ (1)

Stwierdzono, że szybkość rozkładu H₂O₂ wzrasta, jeżeli reagujący roztwór pozostaje w kontakcie z metalami, niektórymi tlenkami metali itp. Przyjmijmy jako hipotezę roboczą, że szybkość reakcji rozkładu H₂O₂ na powierzchni katalizatora jest znacznie większa (różnica co najmniej 1 do 2 rzędów wielkości) od szybkości dyfuzji H₂O₂ do powierzchni katalizatora. W takim przypadku szybkość reakcji heterogenicznej będzie determinowana przez dyfuzję H₂O₂. Jeśli jednocześnie założyć, że szybkość reakcji rozpadu w masie roztworu jest zaniedbywalnie mała, to szybkość całego procesu można opisać za pomocą równania (2), które wyprowadzono z pierwszego prawa Ficka:

(2)

gdzie: dc oznacza zmianę stężenia H₂O₂ w czasie dt (-dc/dt jest szybkością rozkładu); D - współczynnik dyfuzji substancji dyfundującej powoli przez nieruchomą warstwę cieczy o grubości δ, przylegającą do powierzchni fazy stałej δ jest tym mniejsze, im większa intensywność mieszania roztworu; k - współczynnik proporcjonalności jest wielkością stałą w stałej temperaturze; F - oznacza powierzchnię fazową katalizatora pozostającą w kontakcie z roztworem; V - objętość reagującego roztworu; c - stężenie H₂0₂ w dowolnym momencie czasu t. Całkując równanie (2) w granicach od O do t oraz od c₀ do c, otrzymuje się równania (3) oraz (4):

(3)

lub

(4)

Wyniki pomiarów

Nr pomiaru	Ilość zawiesiny	Czas t	Ilość 0.05 n KMnO4 do miareczkowania próbki	Stężenie H2O2 c	lg c
	[ml]	[min]	[ml]	[mol/l]
1	5	5	18.5	0.046	-1.335
2			10	17.7	0.044	-1.354
3			20	15.9	0.040	-1.401
4			30	14.9	0.037	-1.429
5			40	13.7	0.034	-1.465
6			50	13.2	0.033	-1.481
7			60	12.3	0.031	-1.512
1		2.5	7	20.4	0.051	-1.292
2			15	20.2	0.051	-1.297
3			25	18.5	0.046	-1.335
4			35	17.6	0.044	-1.357
5			45	17.1	0.043	-1.369
6			55	16.2	0.041	-1.393
7			66	15.8	0.040	-1.403
1		0	30	23.0	0.058	-1.240
2			70	22.9	0.057	-1.242
1		2.5	20	20.3	0.051	-1.295
2			40	19.3	0.048	-1.317
3			60	19.1	0.048	-1.321

Wnioski

Hipoteza robocza, iż szybkość reakcji rozkładu H₂O₂ na powierzchni katalizatora jest znacznie większa (różnica co najmniej 1 do 2 rzędów wielkości) od szybkości dyfuzji H₂O­₂ do powierzchni katalizatora zastała spełniona, gdyż dla próbek zawierających tę samą ilość katalizatora widać znaczny wpływ mieszania na szybkość rozkładu wody utlenionej tzn. że szybkość tej reakcji heterogenicznej jest determinowana przez dyfuzję H₂O₂. Najintensywniej rozkład wody utlenionej przebiegał przy największej ilości katalizatora. Wzrost stężenia H₂O₂ dla próbki niezawierającej katalizatora najprawdopodobniej spowodowany jest błędami pomiarowymi. Zależności log c = f(t) uzyskaliśmy linowe (w granicach błędów pomiarowych) więc wzory (2), (3) i (4) mogą być stosowane w rozpatrywanym przypadku.

Z wyznaczonych współczynników widać wpływ powierzchni katalizatora F, mianowicie taką, że szybkość rozkładu rośnie wraz z wielkością tej powierzchni. Współczynnik (proporcjonalny do powierzchni F) dla próbki zawierającej 5 ml MnO₂ jest prawie dwa razy większy od współczynnika dla próbki zawierającej 2.5 ml MnO₂ co jest zgodne z przewidywaniami. Niewielkie różnice mogą być spowodowane błędami pomiarowymi oraz różnicą prędkości mieszania.

---