Akademia Techniczno- Humanistyczna

W Bielsku- Białej

Wydział Nauk o Materiałach Środowisku

Kierunek Inżynieria Środowiska

Rok 2, semestr 3

Ćwiczenie nr 2

Kataliza jednorodna.

Jednorodny rozkład wody utlenionej.

Wstęp teoretyczny :

Kataliza – zjawisko przyspieszenia szybkości reakcji chemicznej pod wpływem dodania do układu niewielkiej ilości katalizatora, który sam nie ulega trwałym przekształceniom, lecz tylko tworzy z innymi substratami przejściowe kompleksy.

Katalizator – substancja chemiczna, która dodana do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej reakcji chemicznej, na taką, która ma niższą energię aktywacji, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej. W trakcie procesów z udziałem katalizatora reakcja chemiczna przebiega drogą o energii mniejszej w stosunku do reakcji bez udziału katalizatora. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie reakcji powstaje dodatkowy kompleks przejściowy katalizator-substrat, który ulega reakcji w wyniku dostarczenia mniejszej ilości energii niż dla reakcji bez udziału katalizatora.

Rozkład wody utlenionej w roztworze przyspiesza bardzo wiele jonów, między innymi Cr2O72- oraz Fe3+. Substancje przyspieszające rozkład, katalizatory, tworzą z cząsteczką wody utlenionej produkt przejściowy, który następnie ulega rozkładowi z wydzieleniem pierwotnej postaci katalizatora oraz produktów rozkładu.

Mechanizm tego procesu można przedstawić uproszczonym równaniem:

(1)

(2)

gdzie: A - cząsteczka substratu,

K - cząsteczka katalizatora,

M* - cząsteczka substancji przejściowej,

Kc - stała równowagi reakcji (1),

kr - stała szybkości reakcji (2).

Substancja przejściowa M* powstaje w stosunkowo szybkim procesie odwracalnym, a nietrwałe to połączenie rozpada się na produkty reakcji oraz cząsteczkę katalizatora stosunkowo powoli. Ponieważ szybkość reakcji jest określana przez szybkość rozpadu substancji przejściowej można zapisać:

(3)

Z warunków równowagi natomiast możemy wyliczyć stężenie produktów przejściowych:

(4)

stąd

(5)

i ostatecznie

(6)

Wynika z tego, że szybkość reakcji rozkładu jest wprost proporcjonalna do stężenia katalizatora K, a rząd reakcji zależy od wielkości Kc/A/n.

Jeżeli Kc/A/>>1, to równowaga przesunięta jest na stronę tworzenia produktu przejściowego i wówczas rząd reakcji względem stężenia substratów wynosi 0.

(7)

oraz gdy Kc/A/n<<1, wówczas rząd reakcji względem stężenia substratów wynosi n.

(8)

Formalny rząd reakcji może zmieniać się od wartości 0 do wartości n i przyjmować wartości ułamkowe. Fakt ten jest w katalizie jednorodnej zjawiskiem powszechnym. Doświadczalnie stwierdzono, że dla reakcji rozkładu wody utlenionej katalizowanej przez jony dwuchromianowe, rząd reakcji zmienia się z temperaturą i przy wzroście temperatury od 0 do 56C wzrasta od wartości 0 - 2.

2. Wykonanie ćwiczenia:

Pomiar szybkości rozkładu H₂O₂ przy udziale katalizatora K₂Cr₂O₇ dokonywaliśmy w specjalnie przygotowanej aparaturze pomiarowej. Po dodaniu katalizatora do nadtlenku wodoru i szybkim zamknięciu korka odczytywaliśmy poziom wydzielanego tlenu w okresach na początku: co 2 min. 11 pomiarów, a na końcu pozostałe pomiary co 5 minut. Otrzymane wyniki zanotowaliśmy w tabeli pomiarowej.

3. Obliczenia przykładowe i tabele pomiarowe:

Tabela 1:

Lp	Czas [s]	Objetość wydzielonego tlenu V [ml]	Objętość wydzielonego tlenu w warunkach normalnych V^0 [ml]	Ilość moli wydzielonego tlenu nO2	Ilość moli H2O2 w roztworze reakcyjnym nH2O2	Stężenie H2O2 w roztworze reakcyjnym C H2O2
1	0	4,0	3,73	0,00017	0,001165	0,0466
2	120	7,0	6,52	0,00029	0,001105	0,0442
3	240	10,5	9,79	0,00044	0,001030	0,0412
4	360	14,8	13,79	0,00062	0,000940	0,0376
5	480	16,7	15,56	0,00069	0,000905	0,0362
6	600	19,0	17,71	0,00079	0,000855	0,0342
7	720	20,2	18,83	0,00084	0,000830	0,0332
8	840	21,3	19,85	0,00089	0,000805	0,0322
9	960	23,5	21,90	0,00098	0,000760	0,0304
10	1080	24,4	22,74	0,00102	0,000740	0,0296
11	1200	23,8	22,18	0,00099	0,000755	0,0302
12	1500	25,0	23,30	0,00104	0,000730	0,0292
13	1800	27,0	25,16	0,00123	0,000635	0,0254
14	2100	26,2	24,42	0,00109	0,000705	0,0282
15	2400	30,1	28,05	0,00125	0,000625	0,0250

Przykładowe obliczenia:

1. Ilość moli wydzielonego tlenu nO₂:

Przeliczenie objętości na warunki normalne:

Ustaliłyśmy, że podczas pomiaru p=101300 Pa, a T=293 K

Wartości określonych warunków normalnych:

• ciśnienie: 101325 Pa (1013,25 hPa; 1 atm)

• temperatura: 273,15 K (0 °C)

$$\frac{p_{0} \bullet V_{0}}{T_{0}} = \frac{p \bullet V}{T}$$

$$V_{0} = \frac{p \bullet V \bullet T_{0}}{T \bullet p_{0}}$$

$$V_{0} = \frac{101300 \bullet 4,0 \bullet 273,15}{293 \bullet 101325} = 3,73\ ml$$

Objętość molowa 1 mola tlenu w temperaturze 0^oC i pod ciśnieniem 1013,25 hPa jest równa 22,4 dm³_.

3,73 ml = 0,00373 dm³

1 mol – 22,4 dm³

x moli – 0,00373 dm³

x = 0,00017 moli

1. Ilość moli H₂O₂ w roztworze reakcyjnym nH₂O₂ :

Na podstawie miareczkowania:

5H2O2 + 2MnO4^- + 6H⁺ → 8H2O + 2Mn2⁺ +5O2↑

V KMnO₄ = 0,5 ml =0,0005 dm³

V H₂O₂ = 10 ml = 0,01 dm³

C KMnO₄ = 0,1 M

Nadtlenek wodoru reaguje z KMnO4 w stosunku 5:2, tak więc można zapisać:

n H₂O₂ = 2,5n KMnO₄ = 2,5 C KMnO₄ ⋅ V KMnO₄

nH₂O₂ = 2,5 • 0,1 • 0,0005 = 0,000125

Ilość moli H₂O₂ :

$$Ilosc\ moli\ H_{2}O_{2} = poczatkowa\ ilosc\ moli\ H_{2}O_{2} - \frac{ilosc\ moli\ tlenu\ }{2}$$

$$Ilosc\ moli\ H_{2}O_{2} = 0,00125 - \frac{0,00017\ }{2} = \ 0,001165$$

Stężenie H₂O₂ w roztworze reakcyjnym:

$$\text{C\ }H_{2}O_{2} = \frac{n}{V}$$

$$\text{C\ }H_{2}O_{2} = \frac{0,001165}{0,025} = 0,0466\ \frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$$

Tabela 2:

L.k.	Stężenie C H2O2	Szybkość dC/dt reakcji	log C	log (dC/dt)
1	0,0466	8,14	-1,332	0,91
2	0,0442	3,27	-1,355	0,51
3	0,0412	1,80	-1,385	0,26
4	0,0376	1,11	-1,425	0,05
5	0,0362	0,84	-1,441	-0,08
6	0,0342	0,65	-1,466	-0,19

1. Szybkość dC/dt reakcji:

Odczytujemy z wykresu 1, prowadząc styczną do 6 punktów pomiaru. Kąty dla poszczególnych stężeń: α = 83, β = 73, γ = 61, δ = 48, ε = 40, ζ = 33

Szybkość reakcji: v = tg α

v = tg(83) = 8,14

1. Stała szybkości reakcji i rząd reakcji:

Wyznaczenie prostej regresji:

y = ax + b

gdzie:

y = log(dC/dt)

x = logC:

x	y	x*y	x
-1,332	0,91	-1,21212	1,774224
-1,355	0,51	-0,69105	1,836025
-1,385	0,26	-0,36010	1,918225
-1,425	0,05	-0,07125	2,030625
-1,441	-0,08	0,11528	2,076481
-1,466	-0,19	0,27854	2,149156
-8,404	1,46	-1,9407	11,78474

$$a = \frac{n\sum_{}^{}{x_{i}y_{i} - \sum_{}^{}x_{i}\sum_{}^{}y_{i}}}{n\sum_{}^{}{{x_{i}}^{2} - \left( \sum_{}^{}x_{i} \right)^{2}}} = \frac{6 \bullet ( - 1,9407) - 12,26984}{6 \bullet 11,78474 - 138,8800969} \approx 0,35$$

$$b = \frac{1}{n}\left( \sum_{}^{}y_{i} - a\sum_{}^{}x_{i} \right) \approx 0,73$$

y = 0,35x +0,73

gdzie:

a = k, czyli stała szybkości reakcji

b = n, czyli rząd reakcji.

4.Wnioski:

Celem ćwiczenia było poznanie roli katalizatora w procesach chemicznych.

Po dodaniu katalizatora, którym był dwuchromian potasu (K₂Cr₂O₇₎ obserwuje się przyspieszenie rozkładu wody utlenionej, a sam katalizator nie uległ trwałym przekształceniom. Katalizator wpływa zatem na szybkość reakcji chemicznej. Zwiększenie szybkości reakcji osiąga się przez zwiększenie stężeń reagentów, zwiększenie stałej szybkości reakcji, wprowadzenie katalizatora.