Rok akademicki: II Kierunek studiów: Metalurgia Nr grupy: III	Tytuł ćwiczenia: Kinetyka reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej – KATALIZA HETEROGENICZNA	Data wykonania ćwiczenia: 25.04.2013
Nr zespołu: 8	Jakub Tokarczyk	Ocena:

Przyrządy:

- cylinder miarowy na 1 l.

- 4 zlewki na 250 ml

- 3 erlenmeyerki na 100 ml

- biureta ze statywem

- pipeta na 100 ml

- pipeta na 50 ml

- 2 pipety na 10 ml

- pipeta kalibrowana na 5 ml

- mieszadła

Odczynniki:

- 0,05M H₂O₂

- 0,05M KMnO₄

- 2M H₂SO₄

1.Wstęp (cel ćwiczenia):

Kataliza heterogeniczna (heterofazowa) – rodzaj katalizy, charakteryzujący się tym, że katalizator występuje w innym stanie skupienia niż reagujące substraty. Katalizator nie może zachwiać równowagi chemicznej. Wpływa jedynie na szybkość reakcji chemicznej (przyśpiesza lub zwalnia ją). Przeważnie procesem który poprzedza tą reakcje jest absorpcja substancji reagujących.

Stechiometrie katalitycznego rozkładu wody utlenionej opisuje reakcja:

2 H₂O₂ = 2 H₂O + O₂

Przy kontakcie z metalami lub niektórymi tlenkami szybkość rozkładu H₂O₂ wzrasta.

Założenie:

• szybkość reakcji rozkładu H₂O₂ jest znacznie większa na powierzchni katalizatora od szybkości dyfuzji H₂O₂ do powierzchni katalizatora,

• szybkość reakcji rozkładu w masie roztworu jest zaniedbywanie mała,

w takim razie:

– zmiana stężenia H₂O₂ w czasie

– współczynnik dyfuzji

– grubość warstwy cieczy

– współczynnik proporcjonalności

– powierzchnia fazowa katalizatora

– objętość reagującego roztworu

– stężenie H₂O₂ w dowolnym momencie czasu

Po scałkowaniu powyższego równania w granicach, otrzymujemy równanie

Przedstawiamy na wykresie jako

Celem ćwiczenia jest:

• wyznaczenie szybkości rozkładu wody utlenionej w obecności różnej ilości katalizatora w postaci zawiesiny MnO₂, oraz w roztworze nie zawierającym MnO₂,

• sprawdzenie wpływu intensywności mieszania na szybkość reakcji w obecności katalizatora,

• stwierdzenie czy wyżej wymienione równania zadowalająco opisują kinetykę tego procesu

2.Dokładny opis metody wykonania doświadczeń i pomiarów:

- Odpipetować dwie próbki po 10 ml do erlenmeyerek i dodać do nich po 10 ml 2M H₂SO₄

- Zmiareczkować 0,05M KMnO₄ celem oznaczenia początkowego stężenia H₂O₂, c_o

- Do zlewek na 250ml odpipetować po 150ml 0,05M H₂O₂

- Wstrząsnąć butelką z zawiesiną MnO₂

- Do pierwszej zlewki dodać 5 ml MnO₂, do drugiej i czwartej po 2,5 ml, trzecią pozostawić bez zawiesiny

- W zlewce pierwszej i drugiej uruchomić mieszadła

- Pobierać próbki po 10ml do miareczkowania wlewając je do erlenmeyerki zawierającej 10 ml H₂SO₄

(czas dodania MnO₂ jest początkiem odliczania)

- Z pierwszej zlewki pobierać próbki po 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 minutach

- Z drugiej zlewki pobierać próbki po 7, 15, 25, 35, 45, 55, 65 minutach

- Z trzeciej zlewki pobierać próbki po 30 i 70 minutach

- Z czwartej zlewki pobierać próbki po 20, 40, 60 minutach (tuż przed pobraniem próbki zamieszać zawartość w celu wyrównania stężenia zawiesiny)

- Uzyskane wyniki zamieścić w tabeli

3. Pomiary:

Zlewka nr. 1 : 5 ml zawiesiny Mn0₂ (mieszana)

Nr. pomiaru	Ilość zawiesiny [ml]	Czas: t [min]	Poziom KMnO4 pocz. [ml]	Poziom KMnO4 końc. [ml]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	logc2
1	5	0	0,0	14,7	14,7	1,258	0,037	-1,432
2	5	5	22,5	31,5	9	0,782	0,023	-1,638
3	5	10	10,5	16,7	6,2	0,544	0,016	-1,796
4	5	20	10,5	16,7	5,2	0,442	0,013	-1,886
5	5	30	9,2	13,9	4,7	0,408	0,012	-1,921
6	5	40	7,6	11,2	3,6	0,306	0,009	-2,046
7	5	50	7	9,5	2,5	0,204	0,006	-2,222
8	5	60	6,5	8,3	1,8	0,136	0,004	-2,398

Zlewka nr. 2 : 2,5 ml zawiesiny Mn0₂ (mieszana)

Nr. pomiaru	Ilość zawiesiny [ml]	Czas: t [min]	Poziom KMnO4 pocz. [ml]	Poziom KMnO4 końc. [ml]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	logc2
1	2,5	0	0,0	14,7	14,7	1,258	0,037	-1,432
2	2,5	7	11,5	23,5	12	1,02	0,03	-1,523
3	2,5	15	0,0	10,5	10,5	0,884	0,026	-1,585
4	2,5	25	0,0	9,2	9,2	0,782	0,023	-1,638
5	2,5	35	0,0	7,6	7,6	0,646	0,019	-1,721
6	2,5	45	0,0	7	7	0,578	0,017	-1,769
7	2,5	55	0,0	6,5	6,5	0,544	0,016	-1,796
8	2,5	65	0,0	5,5	5,5	0,476	0,014	-1,854

Zlewka nr. 3 : bez zawiesiny Mn0₂ (nie mieszana)

Nr. pomiaru	Ilość zawiesiny [ml]	Czas: t [min]	Poziom KMnO4 pocz. [ml]	Poziom KMnO4 końc. [ml]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	logc2
1	0,0	0	0,0	14,7	14,7	1,258	0,037	-1,432
2	0,0	31	13,9	28,2	14,3	1,190	0,035	-1,456
3	0,0	70	0,0	13,5	13,5	1,156	0,034	-1,469

Zlewka nr. 4 : 2,5 ml zawiesiny Mn0₂ (nie mieszana)

Nr. pomiaru	Ilość zawiesiny [ml]	Czas: t [min]	Poziom KMnO4 pocz. [ml]	Poziom KMnO4 końc. [ml]	Objętość KMnO4: V [ml]	Stężenie H2O2: c1 [g/l]	Stężenie H2O2: c2 [mol/l]	logc2
1	2,5	0	0,0	14,7	14,7	1,258	0,037	-1,432
2	2,5	20	16,7	28,8	12,1	1,020	0,030	-1,523
3	2,5	40	11,2	22,0	10,8	0,918	0,027	-1,569
4	2,5	60	8,3	18,3	10	0,850	0,025	-1,602

4. Przykład obliczeń

• Przyjęta masa molowa H₂O₂ wynosi M = 33,998

Gramorównoważnik (masa związku chemicznego, która całkowicie przereaguje z jednym molem innego związku chemicznego zgodnie z równaniem stechiometrycznym określonej reakcji chemicznej)

H₂O₂ : gR  =  M/2  =  16, 996

• Stężenie H₂O₂ w [mol/l]

Przykładowo:

• Stężenie H₂O₂ w [g/l]

Przykładowo:

5. Wykresy:

Zależność stężenia C₂ od t

[mol/l]

log (5 ml z mieszaniem)

log (2,5 ml z mieszaniem)

log (0 ml bez mieszania)

log (2,5 ml bez mieszania)

Czas: t [min]

Dla równania prostej , w naszym układzie szukane .

Stosujemy tę zależność we wszystkich przypadkach rozpatrywanych poniżej:

A) 5ml zawiesiny, mieszanie

B) 2,5ml zawiesiny, mieszane

C) 0 ml zawiesiny, nie mieszane

D) 2,5 ml zawiesiny, nie mieszane

6. Wnioski:

Liniowa zależność w układzie potwierdza fakt rozkładu wody utlenionej podanej równaniem . Tak więc została potwierdzona prawdziwość kinetyki reakcji katalitycznego rozkładu H₂O₂

Zauważamy również że wraz z dodawaniem zawiesiny kąty nachylenia rosną co świadczy o tym że wraz ze wzrostem ilości dodawanej zawiesiny rośnie powierzchnia katalizatora – wraz z szybkością reakcji. Kąt wynosi O^o w przypadku braku zawiesiny. W przypadku zaś gdy nie zmienia się ilość zawiesiny a maleje intensywność mieszania – spada szybkość reakcji