Sprawozdanie z ćwiczenia nr 27: Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru  H2O2.
1. Wyniki ćwiczenia:
L.p. Czas
VO VO (seria VO (seria VO VO
2 2 2 2 2
t [s]
(seria I) II) [cm3] III) [cm3] (seria IV) (seria V)
[cm3] [cm3] [cm3]
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, \
e 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 (mo\
e to być na przykład układ gazowy lub
roztwór) działanie substancji katalitycznej sprowadza się do obni\
enia energii aktywacji. Cząsteczki
katalizatora tworzą z reagentami produkty pośrednie, które reagują dalej znacznie łatwiej. Liczne eksperymenty
wykazały, \
e energia aktywacji mo\
e się zmieniać pod wpływem katalizatora nawet o 100 i więcej kJ/mol.
Szybkość reakcji katalitycznej jest zazwyczaj proporcjonalna do stę\
enia katalizatora. Je\
eli szybkość reakcji
bez katalizatora wyra\
a równanie:
dc
dc
- =kncn
to w obecności katalizatora K jej szybkość wyniesie: - =kncn +k'[K]cn
dt dt
Drugi człon tego równania określa szybkość reakcji katalitycznej, [K] oznacza stę\
enie katalizatora, a k
stałą szybkości reakcji katalitycznej.
W tym przypadku zakłada się, \
e 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 mo\
na zapisać w postaci:
dc dc
- =(kn + k'[K])cn
w przypadku, gdy stę\
enie katalizatora jest stałe: - =kcn
dt dt
Działanie katalizatora sprowadza się więc do zmiany stałej szybkości reakcji.
3. Opracowanie wyników:
1
Ćwiczenie ma na celu badanie kinetyki reakcji rozkładu H2O2 w zale\
ności od zastosowanego katalizatora.
Podczas rozkładu H2O2 wydziela się tlen. Pomiaru objętości wydzielającego się tlenu dokonywałam co 1
minutę w ciągu 20 minut. Przeprowadziłam 5 pomiarów - po jednym pomiarze dla ka\
dego katalizatora.
Objętość 30 % roztworu nadtlenku wodoru u\
ytego w ka\
dym pomiarze wynosiła 4 cm3. Objętość roztworu
katalizatora 0,1 cm3. Stę\
enie nadtlenku wodoru wyra\
am w mol/dm3. Przeliczam stę\
enie procentowe na
molowe. Temperatura otoczenia w dniu pomiaru wynosiła 18 �C. Gęstość 30 % roztworu H2O2 w temperaturze
18 �C, znaleziona w literaturze, wynosi 1,1111 g/cm3. Masa molowa H2O2 jest równa 34,015 g/mol. Wiadomo,
\
e 100 g r-ru H2O2 zawiera 30 g czystego H2O2. Objętość 100 g roztworu H2O2 wynosi: V = 100 [g] / 1,1111
[g/cm3]= 90 cm3.
Poniewa\
:
1 mol H2O2 - 34,015 g
x moli H2O2 - 30 g �! x = 0,882 mola H2O2
Zatem:
90 cm3 30% r-ru H2O2 zawiera 0,882 mola H2O2
4 cm3 30% r-ru H2O2 zawiera x mola H2O2 �! x = 0,0392 mola H2O2
Poniewa\
do 4 cm3 roztworu H2O2 dodaje się 0,1 cm3 katalizatora, całkowita objętość roztworu wynosi 4,1 cm3.
Stę\
enie początkowe roztworu, wyra\
one w mol/dm3, wynosi:
0,0392 mola H2O2 jest zawarte w 4,1 cm3 roztworu
c mola H2O2 jest zawarte w 1000 cm3 roztworu �! c = 9,561 mol/dm3
Podczas rozkładu nadtlenku wodoru zachodzi następująca reakcja: 2 H2O2 2 H2O + O2
Aby wyznaczyć rząd reakcji konieczna jest znajomość stę\
enia nadtlenku wodoru. W miarę przebiegu
reakcji stę\
enie H2O2 będzie malało. Część nadtlenku wodoru rozło\
y się na tlen, którego objętość mierzy się w
czasie ćwiczenia. Do dalszych obliczeń dogodne staje się więc wyprowadzenie wzoru, który umo\
liwia
obliczenie stę\
enia w poszczególnych minutach pomiaru znając stę\
enie początkowe roztworu nadtlenku
wodoru i objętość wydzielonego tlenu.
Przyjmując uproszczenie i traktując tlen jako gaz doskonały z prawa Avogadra wynika, \
e:
22400 cm3 gazu to 1 mol
VO2 - nO2 �! nO2 = VO2 / 22400
Z równania reakcji wynika, \
e:
z 2 moli H2O2 powstaje 1 mol O2
a nH2O2 rozło\
y się na VO2/22400 �! nH2O2 rozło\
.= 2 VO2 / 22400 = VO2 / 11200
W czasie reakcji ubywa liczba moli H2O2, zatem:
nH2O2 pocz.  nH2O2 rozło\
. = nH2O2 �! nH2O2 = nH2O2 pocz.  (VO2 / 11200)
Objętość roztworu nie zmienia się :
4,1 cm3 roztworu zawiera nH2O2 mola
1000 cm3 roztworu zawiera c mola
1000*nH O2
2
c =
4,1
VO
2
1000*(nH O2pocz - )
2
11200
c =
4,1
Liczbę moli na początku nH2O2 pocz. mo\
na zastąpić stę\
eniem początkowym:
1000 cm3 roztworu - c pocz.
4,1 cm3 roztworu - nH2O2 pocz. �! nH2O2 pocz. = (4,1 * c pocz. ) / 1000
2
Po wstawieniu do wzoru znanych wartości dostaję wzór pozwalający obliczyć stę\
enie nadtlenku wodoru,
gdy wydzieliło się VO2 cm3 tlenu:
VO
2
c = 9,561-
45,92
Rząd reakcji wyznaczam metodą graficzną. W celu wyznaczenia rzędu reakcji metodą graficzną sprawdzam
zale\
ność log c = f(t). Dla reakcji I rzędu charakterystyczna jest liniowa zale\
ność takiej funkcji. W przypadku
reakcji rozkładu nadtlenku wodoru taka zale\
ność jest spełniona- reakcja jest I rzędu.
Stałą szybkości reakcji wyznaczam z równania kinetycznego. Równanie kinetyczne dla reakcji I rzędu ma
dc
postać: - = kc po całkowaniu i zmianie logarytmów naturalnych na dziesiętne:
dt
kt 2,303*(logc0 -logc)
logc = logco - skąd k wynosi: k =
2,303 t
Poniewa\
mam do czynienia z małą serią pomiarów średnia wartość stałej szybkości reakcji mo\
e znacznie
ró\
nić się od wartości prawdziwej. Aby określić błąd występujący w pomiarach określam przedział ufności, w
którym wartość rzeczywista znajduje się z du\
ym prawdopodobieństwem: � = X ą t * s gdzie: X średnia
arytmetyczna; t wartość funkcji Studenta uzale\
niona od ilości pomiarów; s odchylenie standardowe średniej
arytmetycznej;
n
Ł (Xi - X)2
n=1
s = gdzie: Xi  kolejne wyniki; X  średnia arytmetyczna wyników; n  ilość wyników.
n(n -1)
Błąd obliczam dla ka\
dej wyznaczonej stałej szybkości reakcji. Przyjmuję poziom istotności a=0,05 dla
ka\
dej serii pomiarów.
Seria 1: 0.05m FeCl3 + 0.4m HCl + 0.005m CuCl2
Objętość
Czast Stę\
enie H2O2 Stała
L.p. tlenu VO2 log c
[s] c [mol/dm3] szybkości k
[cm3]
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
Średnia wartość stałej szybkości reakcji kśr = 2,19 * 10-5
Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,08 * 10-5.
Przedział ufności wynosi ą 0,17 * 10-5.
3
kśr = 2,19 * 10-5 ą 0,17 * 10-5
Seria 2: 0.05m FeCl3 + 0.4m HCl + 0.002m CuCl2
Objętość
Czast Stę\
enie H2O2 Stała
L.p. tlenu VO2 log c
[s] c [mol/dm3] szybkości k
[cm3]
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
Średnia wartość stałej szybkości reakcji kśr = 1,65 * 10-5
Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,04 * 10-5.
Przedział ufności wynosi ą 0,08 * 10-5.
kśr = 1,65 * 10-5 ą 0,08 * 10-5
Seria 3: 0.05m FeCl3 + 0.4m HCl + 0.001m CuCl2
Objętość
Czast Stę\
enie H2O2 Stała
L.p. tlenu VO2 log c
[s] c [mol/dm3] szybkości k
[cm3]
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
4
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
Średnia wartość stałej szybkości reakcji kśr = 1,37 * 10-5
Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,04 * 10-5.
Przedział ufności wynosi ą 0,08 * 10-5.
kśr = 1,37 * 10-5 ą 0,08 * 10-5
Seria 4: 0.05m FeCl3 + 0.4m HCl + 0.0005m CuCl2
Objętość
Czast Stę\
enie H2O2 Stała
L.p. tlenu VO2 log c
[s] c [mol/dm3] szybkości k
[cm3]
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
Średnia wartość stałej szybkości reakcji kśr = 1,17 * 10-5
Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,06 * 10-5.
Przedział ufności wynosi ą 0,12 * 10-5.
kśr = 1,17 * 10-5 ą 0,12 * 10-5
Seria 5: 0.05m FeCl3 + 0.4m HCl
Objętość
Czast Stę\
enie H2O2 Stała
L.p. tlenu VO2 log c
[s] c [mol/dm3] szybkości k
[cm3]
1 60 0,75 9,544667 0,979760792 2,85E-05
2 120 1,1 9,537045 0,979413845 2,09E-05
5
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
Średnia wartość stałej szybkości reakcji kśr = 1,11 * 10-5
Wartość odchylenia standardowego s wynosi 0,11 * 10-5.
Przedział ufności wynosi ą 0,23 * 10-5.
kśr = 1,11 * 10-5 ą 0,23 * 10-5
Stę\
enie katalizatora w poszczególnych pomiarach szybkości rozkładu nadtlenku wodoru- do 4 cm3 H2O2
dodaje się 0,1 cm3 roztworu CuCl2 o stę\
eniu wyjściowym cwyj.:
1000 cm3 zawiera cwyj. CuCl2
0,1 cm3 - n moli CuCl2 �! n = (cwyj. * 0,1) / 1000
Po zmieszaniu objętość roztworu wynosi 4,1 cm3. Zatem:
4,1 cm3 roztworu zawiera (cwyj. * 0,1) / 1000 mola CuCl2
1000 cm3 roztworu - cCuCl2
cwyj.*0,1
cCuCl =
2
4,1
Objętość
Stę\
enie katalizatora 
dodanego
L.p. Rodzaj katalizatora CuCl2 w kolbie
katalizatora
reakcyjnej [mol/dm3]
[cm3]
1 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,005 M CuCl2 0,1 1,22 * 10-4
2 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,002 M CuCl2 0,1 0,49 * 10-4
3 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,001 M CuCl2 0,1 0,24 * 10-4
4 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,0005 M CuCl2 0,1 0,1 * 10-4
5 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl 0,1 0
Zestawienie wyników pomiarów:
Średnia wartość stałej szybkości reakcji,
L.p. Rodzaj katalizatora
k [s-1]
1 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,005 M CuCl2 2,19 * 10-5 ą 0,17 * 10-5
2 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,002 M CuCl2 1,65 * 10-5 ą 0,08 * 10-5
3 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,001 M CuCl2 1,37 * 10-5 ą 0,08 * 10-5
4 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl, 0,0005 M CuCl2 1,17 * 10-5 ą 0,12 * 10-5
5 0,05 M FeCl3, 0,4 M HCl 1,11 * 10-5 ą 0,23 * 10-5
6
4. Wnioski.
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń mo\
na stwierdzić, \
e reakcja rozkładu nadtlenku
wodoru jest reakcją I rzędu. Świadczy o tym liniowa zale\
ność dziesiętnego logarytmu ze stę\
enia c od czasu t.
Porównując wyznaczone stałe szybkości reakcji katalizowanej roztworem CuCl2 widać bardzo wyraz
ny wpływ
stę\
enia katalizatora na szybkość reakcji. Ze wzrostem stę\
enia 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 CuCl2 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\
ność logC = f(t) dla pięciu serii katalitycznego rozkładu nadtlenku wodoru przy u\
yciu CuCl2 jako
katalizatora; poniewa\
zale\
ności są liniowe więc reakcja jest I rzędowa.
0,982
Serie1
Serie2
0,98
Serie3
Serie4
Serie5
0,978
y = -3E-06x + 0,9799
0,976
y = -4E-06x + 0,9803
0,974
y = -6E-06x + 0,9806
0,972
y = -8E-06x + 0,9807
0,97
y = -1E-05x + 0,9809
0,968
0 200 4 00 600 800 1000 1200
Czas [s]
7
log C
Zale\
ność stałej szybkości reakcji rozkładu nadtlenku wodoru od stę\
enia katalizatora.
2,4E-05
2,2E-05
2,0E-05
1,8E-05
1,6E-05
1,4E-05
1,2E-05
1,0E-05
0,00E+00 2,00E-05 4 ,0 0E-05 6,00E-05 8,00 E-05 1,0 0E-04 1,20E-04 1,4 0E-04
Stę\
en ie katalizatora [mol/d m3]
8
Stała szybko
ś
ci k