Kierunek: Metalurgia 2004/2005

Grupa: II

Numer zespołu: 4

Ćwiczenie nr: 12

KINETYKA REAKCJI
KATALITYCZNEGO ROZKŁADU WODY UTLENIONEJ:
KATALIZA HETEROGENICZNA

Nazwisko i imię:

Paweł Litwin

1. WSTĘP

Kataliza heterogeniczna to taka, gdzie katalizator i substraty reakcji tworzą dwie różne fazy oraz reakcja ta jest przyspieszana na granicy tych faz. Jednak trzeba powiedzieć jasno, że katalizator wpływa tylko i wyłącznie na szybkość reakcji chemicznej - zwalnia lub przyspiesza, za to nie ma żadnego wpływu na jej równowagę chemiczną. Adsorpcja substancji reagujących zazwyczaj poprzedza taką reakcję heterogeniczną.

Katalityczny rozkład wody utlenionej można opisać następującym równaniem stechiometrycznym:

Teraz zakładamy, że szybkość reakcji rozkładu
jest znacznie większa na powierzchni katalizatora od szybkości dyfuzji
do powierzchni katalizatora oraz, że szybkość reakcji rozkładu w masie roztworu jest zaniedbywanie mała i mamy:

Gdzie:
- zmiana stężenia
w czasie
,
- współczynnik dyfuzji,
- grubość warstwy cieczy,
- współczynnik proporcjonalności,
- powierzchnia fazowa katalizatora,
- objętość reagującego roztworu,
- stężenie
w dowolnym momencie czasu.

Po przekształceniach mamy:
, co przedstawimy na wykresie jako
.

2. CEL ĆWICZENIA

1. Wyznaczenie szybkości rozkładu wody utlenionej w obecności różnych ilości katalizatora
   oraz w roztworze niezawierającym katalizatora.

2. Jakościowe sprawdzenie wpływu intensywności mieszania roztworu na szybkość reakcji w obecności katalizatora.

Należy stwierdzić, czy w/w równania opisują w zadowalającym stopniu kinetykę badanego procesu.

3. WYKONANIE ĆWICZENIA

Przyjęta masa molowa
:
oraz gramorównoważnik
:
.

1. Wyznaczanie początkowego stężenia
   w
   :

2. Wyznaczanie początkowego stężenia
   w
   :

	Ilość zużytego do miareczkowania KMnO4
Czas	Próbka 1	Próbka 2	Próbka 3	Próbka 4
0	24,5	24,5
5	20,5
7		21,5
10	20
15		20,5
20	19,2
25		19,5	16,5
30	18,5			24,2
35		18
40	17,5
45		16	14
50	16,8
55		15,2
60	16,6
65		14	11,6
70	16,4			23,5

Tab. 3.1 Wyniki pomiarów

Próbka 1 - 5 ml MnO₂ zawiesina mieszana

Próbka 2 - 2,5 ml MnO₂ zawiesina mieszana

Próbka 3 - 5 ml MnO₂ bez mieszania

Próbka 4 - Woda utleniona bez obecności katalizatora

Obliczenia dla próbki 1:

t=5 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=10 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=20 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=30 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=40 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=50 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=60 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=70 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

Czas: t [min]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	logc2
5	20,5	0,051	1,734	-1,292
10	20	0,05	1,7	-1,301
20	19,2	0,048	1,632	-1,319
30	18,5	0,046	1,572	-1,337
40	17,5	0,044	1,495	-1,356
50	16,8	0,042	1,428	-1,377
60	16,6	0,0415	1,411	-1,382
70	16,4	0,041	1,394	-1,387

Tab. 3.2. Stężenia H₂O₂ dla próbki 1 (5 ml MnO­₂)

Obliczenia dla próbki 2:

t=7 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=15 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=25 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=35 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=45 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=55 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=65 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

Czas: t [min]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	logc2
7	21,5	0,054	1,836	-1,268
15	20,5	0,051	1,734	-1,292
25	19,5	0,049	1,666	-1,3
35	18	0,045	1,520	-1,347
45	16	0,04	1,36	-1,398
55	15,2	0,038	1,292	-1,420
65	14	0,035	1,190	-1,456

Tab. 3.3. Stężenia H₂O₂ dla próbki 2 (2,5 ml MnO­₂)

Obliczenia dla próbki 3:

t=25 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=45 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=65 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

Czas: t [min]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	logc2
7	16,5	0,041	1,394	-1,387
15	14	0,035	1,19	-1,456
25	11,6	0,029	0,986	-1,538

Tab. 3.4. Stężenia H₂O₂ dla próbki 4 (5 ml MnO­₂)

Obliczenia dla próbki 4:

t=30 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

t=70 min

Stężenie
w
:

Stężenie
w
:

Czas: t [min]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	logc2
7	24,2	0,06	2,03	-2,69
15	23,5	0,059	2,006	-1,23

Tab. 3.4. Stężenia H₂O₂ dla próbki 4 (bez MnO­₂)

4. WYKREŚLONE ZALEŻNOŚCI

Dla równania prostej
, w naszym układzie
szukane
. Stosujemy tę zależność we wszystkich przypadkach rozpatrywanych poniżej:

1. Dla
   zawiesiny z mieszaniem:
   , więc
   

2. Dla
   zawiesiny z mieszaniem:
   , więc
   

3. Dla
   zawiesiny bez mieszania
   , więc
   

4. Dla
   zawiesiny bez mieszania:
   , więc
   5. WNIOSKI

W przeprowadzonym doświadczeniu została potwierdzona prawdziwość kinetyki reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej
podanej równaniem:
. Fakt ten potwierdza liniowa zależność w układzie
.

Ponad to należy jeszcze dodać, iż kąty nachylenia rosną wraz z ilością dodawanej zawiesiny - kąt jest bliski
w przypadku braku zawiesiny (bardzo wolny przebieg reakcji bez użycia katalizatora). Jest to powodem do stwierdzenia, że wraz ze wzrostem ilości dodawanej zawiesiny rośnie powierzchnia katalizatora
- wraz z szybkością reakcji.

9

---