Janowski Konrad

Metale Nieżelazne 2002.12.11

Inżynieria Materiałowa

Rok II Grupa 3

Sprawozdanie

Ćwiczenie 12:

Kinetyka reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej - - Kataliza heterogeniczna

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie szybkości rozkładu wody utlenionej w obecności różnych ilości katalizatora (MnO₂) oraz w roztworze nie zawierającym 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.

2.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 , przylegającą do powierzchni fazy stałej 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)

3.Wykonanie ćwiczenia.

• 75 ml 0,5 n H2O2 rozcieńcza się wodą destylowaną do 750 ml i odpipetowuje po 150 ml uzyskanego roztworu.

• Oznacza się początkowe stężenie wody utlenionej.

• Do jednej ze zlewek ze 150 ml wody utlenionej dodaje się 5 ml, do dwóch kolejnych po 2,5 ml zawiesiny MnO2, w ostatniej pozostaje woda utleniona.

• W dwóch zlewkach zawierających zawiesinę uruchamia się mieszadła.

• Ze wszystkich zlewek po odpowiednim czasie pobiera się po 10 ml próbki do miareczkowania.

4.Wyniki pomiarów

Początkowe stężenie wody utlenionej poddawanej badaniu wynosi 0.045[ml/l],1.535[g/l] a ilość KMnO4 potrzebna do zmiareczkowania 10ml tej wody wynosi 18.1 ml,

a logarytm z tego stężenia wynosi -1.346.

Nr pomiaru	Ilość zawiesiny	Czas T	Ilość 0.05 n KMnO4 do miareczkowania próbki	Stężenie ^CH2O2	Stężenie ^C'H2O2	lgC'H2O2
	[ml]	[min]	[ml]	[g/l]	[mol/l]
1	5 z miesz- aniem	5	14.7	1.228	0.036	-1.434
2			11	12.1	1.023	0.030	-1.519
3			20	9.5	0.78	0.023	-1.624
4			30	7.9	0.64	0.019	-1.704
5			40	6.5	0.54	0.016	-1.789
6			49	5.4	0.44	0.013	-1.869
7			61	4.0	0.34	0.01	-2.0
1		2.5 z mie-szaniem	9	14.3	1.194	0.035	-1.446
2			15	13.1	1.092	0.032	-1.484
3			25	11.5	0.955	0.028	-1.541
4			34	10.5	0.88	0.026	-1.580
5			45	8.7	0.71	0.021	-1.662
6			55	6.9	0.58	0.017	-1.763
7			66	6.2	0.51	0.015	-1.809
1		0 bez mieszania	28	17.9	1.501	0.044	-1.349
2			70	17.7	1.501	0.044	-1.354
1		2.5 z mieszanie	18	15.0	1.262	0.037	-1.425
2			36	13.9	1.160	0.034	-1.459
3			66	12.9	1.092	0.032	-1.491

Przykłady obliczeń dla pomiaru 1 próbki 1:

C”H₂O₂=(V_KmnO4 V_KmnO4/V_H2O2 )*C _KmnO4=(14.7/10)*0.05n=0.073n

C_m= C_n*gR/M

gH₂O₂ =M _H2O2/2

C_m= C_n/2

C_H2O2= C”H₂O₂/2=0.073/2=0.036[mol/l]

M _H2O2=34.126[g/mol]

CH₂O= C'H₂O₂* M _H2O2=0.036*34.126=1.228[g/l]

Lgc'H₂O=lg0.036=-1.434

Gdzie: C_m oznacza stężenie molowe [mol/l], C_n- stężenie normalne (n), gR- gramorównoważnik substancji R, gKMnO4- gramorównoważnik nadmanganianu potasu, V_KmnO4-obiętość nadmanganianu potasu zużyta do miareczkowania [ml], V_H2O2- objętość próbki wody utlenionej użytej do miareczkowania [ml],

Z wykresu zależności f(t)=logC(H2O2) odczytano równania prostych:

a)dla próbki z 5ml zawiesiny

y=ax+b

y=-0,0102-1,3832

a=-0,0102 x=t logC₀=-1,3832

logC=-1,3832-0,0102t

a=-kF/2,3V

kF/2,3V=0,0102

gdzie: k- oznacza współczynnik proporcjonalności, F- powierzchnię fazową katalizatora pozostającą w kontakcie z roztworem, V- objętość reagującego roztworu, t- czas prowadzenia reakcji.

b)dla próbki z 2,5ml mieszaniny używając mieszania.

y=ax+b

y=-0,069-1,3686

a=-0,069 x=t logC₀=-1,3686

logC=-1,3686-0,069t

a=-kF/2,3V

kF/2,3V=0,069

c)dla próbki z 2,5ml mieszaniny bez mieszania.

y=ax+b

y=-0,0022-1,3658

a=-0,0022 x=t logC₀=-1,3658

logC=-1,3658-0,0022t

a=-kF/2,3V

kF/2,3V=0,0022

d)dla próbki bez mieszaniny.

y=ax+b

y=-0,0001-1,3448

a=-0,0001 x=t logC₀=-1,3448

logC=-1,3448-0,0001t

a=-kF/2,3V

kF/2,3V=0,0001

5.Wnioski

Hipoteza robocza, iż szybkość reakcji rozkładu H₂O₂ na powierzchni katalizatora jest znacznie większa 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. Zależności log c = f(t) uzyskaliśmy linowe (w granicach błędów pomiarowych) więc wzory 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.

---