1

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 27:

Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru – H

2

O

2

.

1.

Wyniki ćwiczenia:

L.p. Czas

t [s]

2

O

V

(seria I)

[cm

3

]

2

O

V

(seria

II) [cm

3

]

2

O

V

(seria

III) [cm

3

]

2

O

V

(seria IV)

[cm

3

]

2

O

V

(seria V)

[cm

3

]

1

60

0,9

0,6

0,55

0,55

0,75

2

120

1,2

0,75

0,75

0,8

1,1

3

180

1,4

1,2

1,1

1,1

1,2

4

240

1,9

1,65

1,35

1,4

1,4

5

300

2,4

2,1

1,65

1,55

1,5

6

360

3,1

2,45

1,95

1,95

1,65

7

420

3,55

2,8

2,35

2,1

1,75

8

480

4,4

3,25

2,7

2,3

1,95

9

540

5,1

3,75

3,1

2,45

2,2

10

600

5,6

4,1

3,45

2,65

2,35

11

660

6,3

4,55

3,8

2,85

2,6

12

720

6,8

5,1

4,2

3,1

2,8

13

780

7,35

5,45

4,6

3,35

2,95

14

840

8,1

6,45

4,35

3,8

3,25

15

900

8,75

6,85

5,4

4,05

3,4

16

960

9,3

7,15

5,75

4,3

3,55

17

1020

10,05

7,65

6,1

4,65

3,65

18

1080

10,6

8,15

6,45

5,1

3,8

19

1140

11,4

8,5

6,8

5,35

4,1

20

1200

11,85

8,85

7,25

5,6

4,25

2.

Wstęp teoretyczny:

Katalizatorami nazywamy substancje wpływające na szybkość reakcji, pozostające w niezmienionej ilości

po zakończeniu reakcji. Cechą charakterystyczną jest przy tym to, że bardzo małe ilości substancji
katalitycznej, w porównaniu z ilościami substratów, mogą mieć bardzo silny wpływ na szybkość reakcji. Inną
charakterystyczną własnością katalizatorów jest ich specyficzność. W przypadku katalizy jednorodnej, to jest
takiej, gdy układ reagujący i katalizator tworzą jednorodną fazę (może to być na przykład układ gazowy lub
roztwór) działanie substancji katalitycznej sprowadza się do obniżenia energii aktywacji. Cząsteczki
katalizatora tworzą z reagentami produkty pośrednie, które reagują dalej znacznie łatwiej. Liczne eksperymenty
wykazały, że energia aktywacji może się zmieniać pod wpływem katalizatora nawet o 100 i więcej kJ/mol.
Szybkość reakcji katalitycznej jest zazwyczaj proporcjonalna do stężenia katalizatora. Jeżeli szybkość reakcji
bez katalizatora wyraża równanie:

n

n

c

k

dt

dc

=

−

to w obecności katalizatora K jej szybkość wyniesie:

n

n

n

[K]c

k'

c

k

dt

dc

+

=

−

Drugi człon tego równania określa szybkość reakcji katalitycznej, [K] oznacza stężenie katalizatora, a k’

stałą szybkości reakcji katalitycznej.

W tym przypadku zakłada się, że reakcja nie zmienia swego rzędu. Są jednak znane przypadki, gdy rząd

reakcji zmienia się pod wpływem katalizatora. Dotyczy to w szczególności powolnych reakcji I rzędu, które
pod wpływem katalizatora mogą się stać reakcjami II rzędu. Są to jednak przypadki bardzo rzadkie. Równanie
na szybkość reakcji można zapisać w postaci:

n

n

[K])c

k'

(k

dt

dc

+

=

−

w przypadku, gdy stężenie katalizatora jest stałe:

n

kc

dt

dc

=

−

Działanie katalizatora sprowadza się więc do zmiany stałej szybkości reakcji.

3.

Opracowanie wyników:

2

Ć

wiczenie ma na celu badanie kinetyki reakcji rozkładu H

2

O

2

w zależności od zastosowanego katalizatora.

Podczas rozkładu H

2

O

2

wydziela się tlen. Pomiaru objętości wydzielającego się tlenu dokonywałam co 1

minutę w ciągu 20 minut. Przeprowadziłam 5 pomiarów - po jednym pomiarze dla każdego katalizatora.
Objętość 30 % roztworu nadtlenku wodoru użytego w każdym pomiarze wynosiła 4 cm

3

. Objętość roztworu

katalizatora 0,1 cm

3

. Stężenie nadtlenku wodoru wyrażam w mol/dm

3

. Przeliczam stężenie procentowe na

molowe. Temperatura otoczenia w dniu pomiaru wynosiła 18 °C. Gęstość 30 % roztworu H

2

O

2

w temperaturze

18 °C, znaleziona w literaturze, wynosi 1,1111 g/cm

3

. Masa molowa H

2

O

2

jest równa 34,015 g/mol. Wiadomo,

ż

e 100 g r-ru H

2

O

2

zawiera 30 g czystego H

2

O

2

. Objętość 100 g roztworu H

2

O

2

wynosi: V = 100 [g] / 1,1111

[g/cm

3

]= 90 cm

3

.

Ponieważ:

1 mol H

2

O

2

- 34,015 g

x moli H

2

O

2

- 30 g ⇒ x = 0,882 mola H

2

O

2

Zatem:

90 cm

3

30% r-ru H

2

O

2

zawiera 0,882 mola H

2

O

2

4 cm

3

30% r-ru H

2

O

2

zawiera x mola H

2

O

2

⇒ x = 0,0392 mola H

2

O

2

Ponieważ do 4 cm

3

roztworu H

2

O

2

dodaje się 0,1 cm

3

katalizatora, całkowita objętość roztworu wynosi 4,1 cm

3

.

Stężenie początkowe roztworu, wyrażone w mol/dm

3

, wynosi:

0,0392 mola H

2

O

2

jest zawarte w 4,1 cm

3

roztworu

c mola H

2

O

2

jest zawarte w 1000 cm

3

roztworu ⇒ c = 9,561 mol/dm

3

Podczas rozkładu nadtlenku wodoru zachodzi następująca reakcja: 2 H

2

O

2

2 H

2

O + O

2

Aby wyznaczyć rząd reakcji konieczna jest znajomość stężenia nadtlenku wodoru. W miarę przebiegu

reakcji stężenie H

2

O

2

będzie malało. Część nadtlenku wodoru rozłoży się na tlen, którego objętość mierzy się w

czasie ćwiczenia. Do dalszych obliczeń dogodne staje się więc wyprowadzenie wzoru, który umożliwia
obliczenie stężenia w poszczególnych minutach pomiaru znając stężenie początkowe roztworu nadtlenku
wodoru i objętość wydzielonego tlenu.
Przyjmując uproszczenie i traktując tlen jako gaz doskonały z prawa Avogadra wynika, że:

22400 cm

3

gazu to 1 mol

V

O2

- n

O2

⇒ n

O2

= V

O2

/ 22400

Z równania reakcji wynika, że:

z 2 moli H

2

O

2

powstaje 1 mol O

2

a n

H2O2

rozłoży się na V

O2

/22400 ⇒ n

H2O2

rozłoż.= 2 V

O2

/ 22400 = V

O2

/ 11200

W czasie reakcji ubywa liczba moli H

2

O

2

, zatem:

n

H2O2

pocz. – n

H2O2

rozłoż. = n

H2O2

⇒

n

H2O2

= n

H2O2

pocz. – (V

O2

/ 11200)

Objętość roztworu nie zmienia się :

4,1 cm

3

roztworu zawiera n

H2O2

mola

1000 cm

3

roztworu zawiera c mola

4,1

)

11200

V

(n

*

1000

c

4,1

n

*

1000

c

2

2

2

2

2

O

pocz

O

H

O

H

−

=

=

Liczbę moli na początku n

H2O2

pocz. można zastąpić stężeniem początkowym:

1000 cm

3

roztworu - c pocz.

4,1 cm

3

roztworu - n

H2O2

pocz. ⇒ n

H2O2

pocz. = (4,1 * c pocz. ) / 1000

3

Po wstawieniu do wzoru znanych wartości dostaję wzór pozwalający obliczyć stężenie nadtlenku wodoru,

gdy wydzieliło się V

O2

cm

3

tlenu:

45,92

V

9,561

c

2

O

−

=

Rząd reakcji wyznaczam metodą graficzną. W celu wyznaczenia rzędu reakcji metodą graficzną sprawdzam

zależność log c = f(t). Dla reakcji I rzędu charakterystyczna jest liniowa zależność takiej funkcji. W przypadku
reakcji rozkładu nadtlenku wodoru taka zależność jest spełniona- reakcja jest I rzędu.

Stałą szybkości reakcji wyznaczam z równania kinetycznego. Równanie kinetyczne dla reakcji I rzędu ma

postać:

kc

dt

dc

=

−

po całkowaniu i zmianie logarytmów naturalnych na dziesiętne:

2,303

kt

logc

logc

o

−

=

skąd k wynosi:

t

logc)

(logc

*

2,303

k

0

−

=

Ponieważ mam do czynienia z małą serią pomiarów średnia wartość stałej szybkości reakcji może znacznie

różnić się od wartości prawdziwej. Aby określić błąd występujący w pomiarach określam przedział ufności, w
którym wartość rzeczywista znajduje się z dużym prawdopodobieństwem:

µ

= X ± t * s gdzie: X– średnia

arytmetyczna; t– wartość funkcji Studenta uzależniona od ilości pomiarów; s– odchylenie standardowe średniej
arytmetycznej;

1)

n(n

X)

(X

Σ

s

2

i

n

1

n

−

−

=

=

gdzie: X

i

– kolejne wyniki; X – średnia arytmetyczna wyników; n – ilość wyników.

Błąd obliczam dla każdej wyznaczonej stałej szybkości reakcji. Przyjmuję poziom istotności a=0,05 dla

każdej serii pomiarów.

Seria 1: 0.05m FeCl

3

+ 0.4m HCl + 0.005m CuCl

2

L.p.

Czast

[s]

Objętość

tlenu V

O2

[cm

3

]

Stężenie H

2

O

2

c [mol/dm

3

]

log c

Stała

szybkości k

1

60

0,9

9,541401

0,97961213

3,42E-05

2

120

1,2

9,534868

0,97931467

2,28E-05

3

180

1,4

9,530512

0,97911624

1,77E-05

4

240

1,9

9,519624

0,97861978

1,81E-05

5

300

2,4

9,508735

0,97812275

1,83E-05

6

360

3,1

9,493491

0,97742596

1,97E-05

7

420

3,55

9,483692

0,97697742

1,93E-05

8

480

4,4

9,465181

0,97612893

2,1E-05

9

540

5,1

9,449937

0,97542893

2,16E-05

10

600

5,6

9,439049

0,97492823

2,14E-05

11

660

6,3

9,423805

0,97422629

2,19E-05

12

720

6,8

9,412916

0,9737242

2,17E-05

13

780

7,35

9,400939

0,97317124

2,16E-05

14

840

8,1

9,384606

0,97241606

2,22E-05

15

900

8,75

9,370451

0,9717605

2,24E-05

16

960

9,3

9,358474

0,97120503

2,23E-05

17

1020

10,05

9,342141

0,97044642

2,27E-05

18

1080

10,6

9,330164

0,96988927

2,26E-05

19

1140

11,4

9,312742

0,96907758

2,31E-05

20

1200

11,85

9,302943

0,96862034

2,28E-05

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji k

ś

r

= 2,19 * 10

-5

Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,08 * 10

-5

.

Przedział ufności wynosi ± 0,17 * 10

-5

.

4

k

ś

r

= 2,19 * 10

-5

± 0,17 * 10

-5

Seria 2: 0.05m FeCl

3

+ 0.4m HCl + 0.002m CuCl

2

L.p.

Czast

[s]

Objętość

tlenu V

O2

[cm

3

]

Stężenie H

2

O

2

c [mol/dm

3

]

log c

Stała

szybkości k

1

60

0,6

9,547934

0,979909399

2,28E-05

2

120

0,75

9,544667

0,979760792

1,43E-05

3

180

1,2

9,534868

0,979314667

1,52E-05

4

240

1,65

9,525068

0,978868082

1,57E-05

5

300

2,1

9,515268

0,978421038

1,6E-05

6

360

2,45

9,507646

0,978073019

1,55E-05

7

420

2,8

9,500024

0,97772472

1,52E-05

8

480

3,25

9,490225

0,977276497

1,55E-05

9

540

3,75

9,479336

0,976777928

1,59E-05

10

600

4,1

9,471714

0,976428589

1,56E-05

11

660

4,55

9,461915

0,975979026

1,58E-05

12

720

5,1

9,449937

0,975428926

1,62E-05

13

780

5,45

9,442315

0,9750785

1,6E-05

14

840

6,45

9,420538

0,974075721

1,76E-05

15

900

6,85

9,411828

0,97367396

1,75E-05

16

960

7,15

9,405294

0,973372395

1,71E-05

17

1020

7,65

9,394406

0,972869322

1,72E-05

18

1080

8,15

9,383517

0,972365665

1,74E-05

19

1140

8,5

9,375895

0,972012757

1,72E-05

20

1200

8,85

9,368274

0,971659562

1,7E-05

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji k

ś

r

= 1,65 * 10

-5

Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,04 * 10

-5

.

Przedział ufności wynosi ± 0,08 * 10

-5

.

k

ś

r

= 1,65 * 10

-5

± 0,08 * 10

-5

Seria 3: 0.05m FeCl

3

+ 0.4m HCl + 0.001m CuCl

2

L.p.

Czast

[s]

Objętość

tlenu V

O2

[cm

3

]

Stężenie H

2

O

2

c [mol/dm

3

]

log c

Stała

szybkości k

1

60

0,55

9,549023

0,979958923

2,09E-05

2

120

0,75

9,544667

0,979760792

1,43E-05

3

180

1,1

9,537045

0,979413845

1,39E-05

4

240

1,35

9,531601

0,979165856

1,28E-05

5

300

1,65

9,525068

0,978868082

1,26E-05

6

360

1,95

9,518535

0,978570104

1,24E-05

7

420

2,35

9,509824

0,978172481

1,28E-05

8

480

2,7

9,502202

0,977824263

1,29E-05

9

540

3,1

9,493491

0,977425956

1,31E-05

10

600

3,45

9,485869

0,977077138

1,32E-05

11

660

3,8

9,478247

0,97672804

1,32E-05

12

720

4,2

9,469537

0,976328726

1,34E-05

5

13

780

4,6

9,460826

0,975929045

1,35E-05

14

840

4,35

9,46627

0,976178889

1,19E-05

15

900

5,4

9,443404

0,975128578

1,38E-05

16

960

5,75

9,435782

0,974777909

1,37E-05

17

1020

6,1

9,42816

0,974426957

1,37E-05

18

1080

6,45

9,420538

0,974075721

1,37E-05

19

1140

6,8

9,412916

0,9737242

1,37E-05

20

1200

7,25

9,403117

0,973271827

1,39E-05

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji k

ś

r

= 1,37 * 10

-5

Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,04 * 10

-5

.

Przedział ufności wynosi ± 0,08 * 10

-5

.

k

ś

r

= 1,37 * 10

-5

± 0,08 * 10

-5

Seria 4: 0.05m FeCl

3

+ 0.4m HCl + 0.0005m CuCl

2

L.p.

Czast

[s]

Objętość

tlenu V

O2

[cm

3

]

Stężenie H

2

O

2

c [mol/dm

3

]

log c

Stała

szybkości k

1

60

0,55

9,549023

0,979958923

2,09E-05

2

120

0,8

9,543578

0,979711245

1,52E-05

3

180

1,1

9,537045

0,979413845

1,39E-05

4

240

1,4

9,530512

0,979116241

1,33E-05

5

300

1,55

9,527246

0,978967363

1,18E-05

6

360

1,95

9,518535

0,978570104

1,24E-05

7

420

2,1

9,515268

0,978421038

1,14E-05

8

480

2,3

9,510913

0,978222204

1,09E-05

9

540

2,45

9,507646

0,978073019

1,04E-05

10

600

2,65

9,503291

0,977874025

1,01E-05

11

660

2,85

9,498936

0,977674941

9,87E-06

12

720

3,1

9,493491

0,977425956

9,84E-06

13

780

3,35

9,488047

0,977176829

9,82E-06

14

840

3,8

9,478247

0,97672804

1,04E-05

15

900

4,05

9,472803

0,976478512

1,03E-05

16

960

4,3

9,467359

0,97622884

1,03E-05

17

1020

4,65

9,459737

0,975879059

1,04E-05

18

1080

5,1

9,449937

0,975428926

1,08E-05

19

1140

5,35

9,444493

0,97517865

1,08E-05

20

1200

5,6

9,439049

0,974928231

1,07E-05

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji k

ś

r

= 1,17 * 10

-5

Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,06 * 10

-5

.

Przedział ufności wynosi ± 0,12 * 10

-5

.

k

ś

r

= 1,17 * 10

-5

± 0,12 * 10

-5

Seria 5: 0.05m FeCl

3

+ 0.4m HCl

L.p.

Czast

[s]

Objętość

tlenu V

O2

[cm

3

]

Stężenie H

2

O

2

c [mol/dm

3

]

log c

Stała

szybkości k

1

60

0,75

9,544667

0,979760792

2,85E-05

2

120

1,1

9,537045

0,979413845

2,09E-05

6

3

180

1,2

9,534868

0,979314667

1,52E-05

4

240

1,4

9,530512

0,979116241

1,33E-05

5

300

1,5

9,528334

0,979016995

1,14E-05

6

360

1,65

9,525068

0,978868082

1,05E-05

7

420

1,75

9,52289

0,978768779

9,51E-06

8

480

1,95

9,518535

0,978570104

9,28E-06

9

540

2,2

9,513091

0,978321633

9,3E-06

10

600

2,35

9,509824

0,978172481

8,95E-06

11

660

2,6

9,50438

0,977923782

9E-06

12

720

2,8

9,500024

0,97772472

8,89E-06

13

780

2,95

9,496758

0,977575364

8,64E-06

14

840

3,25

9,490225

0,977276497

8,85E-06

15

900

3,4

9,486958

0,977126987

8,64E-06

16

960

3,55

9,483692

0,976977424

8,46E-06

17

1020

3,65

9,481514

0,976877688

8,19E-06

18

1080

3,8

9,478247

0,97672804

8,05E-06

19

1140

4,1

9,471714

0,976428589

8,23E-06

20

1200

4,25

9,468448

0,976278786

8,11E-06

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji k

ś

r

= 1,11 * 10

-5

Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,11 * 10

-5

.

Przedział ufności wynosi ± 0,23 * 10

-5

.

k

ś

r

= 1,11 * 10

-5

± 0,23 * 10

-5

Stężenie katalizatora w poszczególnych pomiarach szybkości rozkładu nadtlenku wodoru- do 4 cm

3

H

2

O

2

dodaje się 0,1 cm

3

roztworu CuCl

2

o stężeniu wyjściowym c

wyj.

:

1000 cm

3

zawiera c

wyj.

CuCl

2

0,1 cm

3

- n moli CuCl

2

⇒ n = (c

wyj.

* 0,1) / 1000

Po zmieszaniu objętość roztworu wynosi 4,1 cm

3

. Zatem:

4,1 cm

3

roztworu zawiera (c

wyj.

* 0,1) / 1000 mola CuCl

2

1000 cm

3

roztworu - c

CuCl2

4,1

0,1

*

c

c

wyj.

CuCl

2

=

L.p.

Rodzaj katalizatora

Objętość

dodanego

katalizatora

[cm

3

]

Stężenie katalizatora –

CuCl

2

w kolbie

reakcyjnej [mol/dm

3

]

1

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,005 M CuCl

2

0,1

1,22 * 10

-4

2

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,002 M CuCl

2

0,1

0,49 * 10

-4

3

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,001 M CuCl

2

0,1

0,24 * 10

-4

4

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,0005 M CuCl

2

0,1

0,1 * 10

-4

5

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl

0,1

0

Zestawienie wyników pomiarów:

L.p.

Rodzaj katalizatora

Ś

rednia wartość stałej szybkości reakcji,

k [s

-1

]

1

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,005 M CuCl

2

2,19 * 10

-5

± 0,17 * 10

-5

2

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,002 M CuCl

2

1,65 * 10

-5

± 0,08 * 10

-5

3

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,001 M CuCl

2

1,37 * 10

-5

± 0,08 * 10

-5

4

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl, 0,0005 M CuCl

2

1,17 * 10

-5

± 0,12 * 10

-5

5

0,05 M FeCl

3

, 0,4 M HCl

1,11 * 10

-5

± 0,23 * 10

-5

7

4.

Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń można stwierdzić, że reakcja rozkładu nadtlenku

wodoru jest reakcją I rzędu. Świadczy o tym liniowa zależność dziesiętnego logarytmu ze stężenia c od czasu t.
Porównując wyznaczone stałe szybkości reakcji katalizowanej roztworem CuCl

2

widać bardzo wyraźny wpływ

stężenia katalizatora na szybkość reakcji. Ze wzrostem stężenia katalizatora w układzie reagującym rośnie
wartość stałej szybkości reakcji k, czyli rozkład nadtlenku wodoru zachodzi szybciej. Niewielki dodatek
katalizatora bardzo wpływa na wzrost stałej szybkości reakcji. Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru za
pomocą CuCl

2

jest przykładem katalizy homogenicznej. Substrat i katalizator jest w tej samej fazie. Katalizator

musi wchodzić do jednego z etapów reakcji i odtwarzać się w następnym.

5.

Wykresy.

Zale

ż

no

ść

l ogC = f(t) dla pi

ę

ci u serii k atali ty czne go rozkła du nadtle nku w odoru przy u

ż

y ciu C uCl2 ja ko

k atalizatora; poniew a

ż

za le

ż

no

ś

c i s

ą

liniow e w i

ę

c reak cja jest I rz

ę

dowa .

y = - 3E-0 6x + 0,9 799

y = - 8E-0 6x + 0,9 807

y = - 4E-0 6x + 0,9 803

y = - 6E-0 6x + 0,9 806

y = - 1E-0 5x + 0,9 809

0,968

0,97

0,972

0,974

0,976

0,978

0,98

0,982

0

20 0

4 00

60 0

8 00

1 000

120 0

C zas [s]

lo

g

C

S eri e1

S eri e2

S eri e3

S eri e4

S eri e5

8

Zale

ż

no

ść

stał ej sz ybko

ś

c i reak cji rozkła du nadtlenk u wodoru od st

ę ż

enia ka ta liza tora .

1,0E -05

1,2E -05

1,4E -05

1,6E -05

1,8E -05

2,0E -05

2,2E -05

2,4E -05

0,0 0E + 00

2 ,0 0E - 05

4 ,0 0E - 05

6,00 E -05

8,00 E -05

1,0 0E -0 4

1,2 0E -0 4

1 ,4 0E - 04

S t

ę ż

en ie ka talizator a [m o l/d m 3]

S

ta

ła

s

z

y

b

k

o

ś

c

i

k