Inżynieria Materiałowa Grupa I

17 kwiecień 1999/2000

Nr zespołu 2

Ćwiczenie nr 12.

Temat: Kinetyka reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej - kataliza heterogeniczna.

Tomasz Foryś

1. Wstęp.

W procesach katalizy heterogenicznej katalizator i substraty reakcji tworzą dwie różne fazy. Reakcja jest przyśpieszana na granicy faz. Katalizator wpływa na szybkość reakcji chemicznej, nie posiada natomiast wpływu na równowagę chemiczną. Procesem poprzedzającym reakcję heterogeniczną jest adsorpcja substancji reagujących.

Szybkość rozkładu wody utlenionej wzrasta, jeżeli reagujący roztwór pozostaje w kontakcie z metalami itp. Proces ten przedstawia równanie:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂

Jeżeli przyjmiemy, że szybkość tej reakcji na powierzchni katalizatora jest znacznie większa od szybkości dyfuzji H₂O₂ do powierzchni katalizatora, wtedy szybkość reakcji katalitycznej będzie determinowana przez dyfuzję H₂O₂. Jeżeli założymy także, że szybkość reakcji rozpadu w masie roztworu jest pomijalnie mała, to ten proces katalityczny możemy opisać równaniem:

gdzie: -dc/dt - szybkość rozkładu; D - współ. dyfuzji przez warstwę cieczy o grubości δ;
K - współ. proporcjonalności, stały w danej temp.; F - powierzchnia fazowa katalizatora;
V - objętość roztworu; c - stężenie H₂O₂ w momencie czasu t.

Całkując to równanie obustronnie otrzymujemy:

2. Metody pomiarowe.

Ćwiczenie polegało na wyznaczeniu szybkości rozkładu wody utlenionej bez
i w obecności różnych ilości katalizatora oraz przy różnej intensywności mieszania roztworu. W tym celu wyznaczaliśmy stężenia roztworów H₂O₂ w różnych punktach czasu, miareczkując próbki roztworem 0,05n KMnO₄. Oznaczanie to opiera się na reakcji:
5H₂O₂ + 2MnO₄^- + 6H⁺ = 5O₂ + 2Mn²⁺ + 8H₂O. Wynika z niej, że 34,015g H₂O₂ reaguje z 40000ml 0,05n KMnO₄.

3. Wyniki pomiarów i obliczenia.

a) wyznaczanie c_mo roztworu H₂O₂

Pierwszy pomiar 25ml

Drugi pomiar 24,5ml

Średnia - 24,75 ml KMnO₄

Przykład obliczeń:

34,015 [g] H₂O₂ → 40000 [ml] 0,05n KMnO₄

c₀ → 24,75 [ml] ⋅100 [1/l]

[mol/l]

logc_m0 = log 0,0619 = -1,208

b) roztwór stojący bez katalizatora

czas t [min]	ilość KMnO4 [ml]	stężenie H2O2 c [g/l]	stężenie H2O2 cm [mol/l]	log cm
30	20,2	1,72	0,0505	-1,297
70	19,8	1,68	0,0495	-1,305

Współczynnik wyliczony z komputerowej regresji: 0,0002

c) roztwór stojący z 2,5 ml zawiesiny MnO₂

czas t [min]	ilość KMnO4 [ml]	stężenie H2O2 [g/l]	stężenie H2O2 cm [mol/l]	log cm
20	16,4	1,39	0,0410	-1,387
40	14,4	1,22	0,0360	-1,444
60	13,7	1,17	0,0343	-1,465

Współczynnik wyliczony z komputerowej regresji: 0,002

d) roztwór mieszany z 2,5 ml zawiesiny MnO₂

czas t [min]	ilość KMnO4 [ml]	stężenie H2O2 [g/l]	stężenie H2O2 cm [mol/l]	log cm
7	18,0	1,53	0,0450	-1,347
15	17,3	1,47	0,0433	-1,364
25	16,4	1,39	0,0410	-1,387
35	15,9	1,35	0,0398	-1,401
45	15,5	1,32	0,0388	-1,412
55	15,2	1,29	0,0380	-1,420
65	14,9	1,27	0,0373	-1,429

Współczynnik wyliczony z komputerowej regresji: 0,0014

e) roztwór mieszany z 5 ml zawiesiny MnO₂

czas t [min]	ilość KMnO4 [ml]	stężenie H2O2 [g/l]	stężenie H2O2 cm [mol/l]	log cm
5	17,5	1,49	0,0438	-1,359
10	16,8	1,43	0,0420	-1,377
20	15,0	1,28	0,0375	-1,426
30	14,5	1,23	0,0363	-1,441
40	13,9	1,18	0,0348	-1,459
50	13,4	1,14	0,0335	-1,475
60	13,0	1,11	0,0325	-1,488

Współczynnik wyliczony z komputerowej regresji: 0,0023

4. Wnioski.

1. Na wykresach można zaobserwować wyraźne zwiększenie szybkości reakcji rozkładu wody utlenionej stojącej, jeśli doda się do niej katalizator. Tak samo możemy zaobserwować większą szybkość rozkładu wody utlenionej mieszanej z 5ml katalizatora
w stosunku do mieszanej wody utlenionej z 2,5 ml katalizatora.

2. Zadziwiający jest fakt, że szybkość rozkładu wody utlenionej z 2,5ml katalizatora w roztworze stojącym była większa niż w roztworze mieszanym. Sytuacja ta może być wynikiem tego, że w roztworze stojącym katalizator opadał na dno. Przed pobraniem próbki z tego roztworu, mieszaliśmy roztwór, lecz stopień jego wymieszania nie był tak duży, jak w zlewce, w której roztwór był mieszany ciągle za pomocą mieszadła. W efekcie w stojącej zlewce w miarę upływu czasu pozostawało więcej katalizatora, niż miało to miejsce w roztworze mieszanym, co doprowadziło do tego, że roztwór wody utlenionej w stojącej zlewce rozkładał się szybciej pod wpływem większej ilości katalizatora.

3. Współczynnik -K⋅F/2,3V w zlewce stojącej z 2,5 ml katalizatora jest dziesięć razy większy, niż w stojącej zlewce bez katalizatora. Możemy więc stwierdzić, że istotnie zawiesina MnO₂ jest katalizatorem reakcji rozkładu wody utlenionej, wyraźnie przyśpieszającym ten proces. W zlewce bez katalizatora współczynnik ten powinien być równy zero, ponieważ powierzchnia fazowa katalizatora jest w tym przypadku równa zero. Byłoby tak, gdyby woda utleniona rozkładała się tylko pod wpływem katalizatora, lecz oczywiście tak nie jest.

4. Wyznaczone z wykresu wartości logc_mo różnią się o około 10% od tej wartości wyznaczonej przy miareczkowaniu roztworu początkowego. Różnica jest taka duża prawdopodobnie dlatego, że miareczkowanie roztworu początkowego wykonaliśmy na początku zajęć. Później rozlaliśmy roztwór wody utlenionej do odpowiednich zlewek
i przez pewien czas przygotowywaliśmy się do sprawnego przeprowadzenia ćwiczenia.
W tym czasie woda utleniona samoczynnie uległa w pewnym stopniu rozkładowi. Gdy dodaliśmy do zlewek katalizator i rozpoczęliśmy wykonywanie ćwiczenia, rzeczywiste stężenie początkowe wody utlenionej w roztworach było niższe niż to, które wyznaczyliśmy na początku.

5. Punkty pomiarowe na wykresie logc_m w funkcji czasu nie układają się mniej lub bardziej idealnie wzdłuż linii prostych. Spowodowane jest to tym, że całe ćwiczenie trzeba było wykonywać z dość dużym pośpiechem, co przy takich pomiarach jak miareczkowanie, miało znaczący wpływ na dokładność uzyskanych wyników.

6. Przy dwukrotnym zwiększeniu ilości katalizatora z 2,5ml do 5ml dla roztworów mieszanych, otrzymaliśmy wzrost współczynnika o ok. 1,65 raza. Jednak gdy weźmiemy pod uwagę błędy pomiarowe, możemy stwierdzić z dużą pewnością, że współczynnik ten rośnie proporcjonalnie do ilości katalizatora, a tym samym rośnie proporcjonalnie do jego powierzchni.

---