Katalityczny rozkład wody utlenionej

Celem ćwiczenia jest zbadanie reakcji rozkładu H₂O₂ i zbadanie wpływu katalizatora, którym jest MnO₂ na szybkość tej reakcji.

Przebieg procesu rozkładu wody utlenionej

H₂O₂ → H₂O + ½ O₂

badamy za pomocą miareczkowania nadmanganianem potasu w środowisku kwaśnym:

2 MnO₄^- + 5 H₂O₂ + 6 H⁺ → 2 Mn⁺² + 5 O₂ + 8 H₂O.

Reakcję katalizuje MnO₂, który otrzymuje się w postaci roztworu koloidalnego w środowisku słabo alkalicznym w reakcji:

2 MnO₄^- + 3 H₂O₂ → MnO₂ + 3 O₂ + 2 H₂O₂ + 2 OH^-

Badana reakcja jest reakcją pierwszego rzędu, opisaną równaniem kinetycznym I rzędu

(1)

gdzie c jest stężeniem nadtlenku wodoru po czasie t. Rozwiązaniem tego równania jest wyrażenie

(2)

gdzie c₀ jest początkowym stężeniem H₂O₂, c jest stężeniem substratu po czasie t. Stężenia te są proporcjonalne do objętości KMnO₄ zużytego do miareczkowania, czyli
(3)

lub

(4)

Wykres zależności
od t powinien, więc być linią prostą, której współczynnik kierunkowy jest równy (-k).

(Zobacz: załączniki “Podstawy kinetyki chemicznej” oraz „Elementy katalizy”)

Zagadnienia do opracowania

1. Pojęcie szybkości reakcji chemicznej, stała szybkości, rząd reakcji, cząsteczkowość.

2. Równanie kinetyczne dla reakcji różnych rzędów, metody wyznaczania stałej szybkości reakcji.

3. Metody wyznaczania rzędu reakcji.

4. Zależność stałej szybkości reakcji od temperatury. Energia aktywacji.

3. Kinetyka reakcji katalizowanych, równanie Ostwalda.

4. Kataliza i jej rodzaje (kataliza jedno-, wielo- i mikroheterogeniczna, kataliza kwasowo-zasadowa, ujemna, autokataliza).

5. Mechanizm działania katalizatorów.

6. Zastosowanie katalizy w przemyśle.

7. Znajomość badanego układu:

a) reakcja rozkładu H₂O₂.

b) reakcja tworzenia katalizatora MnO₂ z KMnO₄.

c) reakcja miareczkowania H₂O₂ nadmanganianem potasu w środowisku kwaśnym.

Literatura

1. Załączniki “Podstawy kinetyki chemicznej”oraz „Elementy katalizy”.

2. Atkins P. W.: Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa1999, s. 283 - 324.

3. Atkins P. W.,: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 2001, s. 735 - 762.

4. Pigoń K., Ruziewicz Z.: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980, s. 354 - 357, 390 - 396. 440*445.

5. Chemia fizyczna, Praca zbiorowa, PWN, Warszawa 1980, s. 848 - 860.

Odczynniki

30% roztwór H₂O₂ (perhydrol), bufor boranowy (pH = 9,23), H₂SO₄ (1 mol/dm³), KMnO₄ (0,02 mol/dm³).

Wykonanie ćwiczenia

1. Przygotować 50 cm³ roztworu H₂O₂ przez rozcieńczenie perhydrolu według wskazań asystenta.

2. Do czterech erlanmayerek wlać po 150 cm³ wody destylowanej oraz po 50 cm³ buforu boranowego i 5 cm³ rozcieńczonego roztworu H₂O₂ .

3. Do pierwszej erlenmayerki dodać 5 cm³ wody destylowanej. Pobrać z erlenmayerki 5 cm³ roztworu, zakwasić kwasem siarkowym (pobrać z dozownika 4 cm³), zanotować czas dodania kwasu i miareczkować 0.02 M KMnO₄ do słabo-różowego zabarwienia, oznaczając w ten sposób aktualne stężenie H₂O₂ w roztworze. Kolejne próbki z erlenmayerki pobierać, co pół godziny i miareczkować jak poprzednio, notując każdorazowo czas dodania kwasu do roztworu.

4. Do drugiej erlenmayerki dodać 2 cm³ 0.02 M roztworu KMnO₄ (w celu wytworzenia katalizatora) i dokładnie wymieszać. Objętość dodanego roztworu KMnO₄ jest proporcjonalna do ilości MnO₂, będącego katalizatorem w tej reakcji.

5. Po upływie 3 - 5 minut od momentu dodania katalizatora pobrać z erlenmayerki 5 cm³ roztworu, zakwasić kwasem siarkowym (pobrać z dozownika 4 cm³), zanotować czas dodania kwasu i miareczkować 0.02 M KMnO₄ do słabo-różowego zabarwienia.

6. Kolejne próbki z erlenmayerki pobierać, co parę minut i powtarzać czynności opisane w punkcie 4. Wykonać 10 oznaczeń.

7. Do kolejnych erlenmayerek dodać wskazane przez asystenta większe ilości roztworu KMnO₄ w celu wytworzenia większej ilości katalizatora (np. 3 i 6 cm³) i wykonać oznaczenia jak w p. 5 i 6. Miareczkowania roztworów ze zwiększoną ilością katalizatora wykonywać w krótszych odstępach czasu.

Wyniki pomiarów zebrać w tabelach:

Objętość roztworu KMnO₄: ………..

Czas t [s]	Objętość V roztworu KMnO4 zużytego na miareczkowanie próbki	lnV

Opracowanie wyników

1. Dla każdego z badanych układów narysować wykres zależności lnV od czasu, sprawdzić czy otrzymane wykresy są prostoliniowe, a jeśli tak, to z nachylenia tych wykresów wyznaczyć wartości stałych szybkości reakcji.

2. Wyniki obliczeń zebrać w tabeli:

Objętość roztworu KMnO4 użytego do wytworzenia katalizatora (MnO2)	Stała szybkości reakcji k [s^-1]

Dyskusja wyników

1. Przedstawić badaną reakcję chemiczną. Opisać sposób oznaczania aktualnego stężenia H₂O₂ w próbkach pobieranych z mieszaniny reakcyjnej.

2. Skomentować wartość stałej szybkości reakcji bez katalizatora. Podać, jaka substancja może być użyta jako katalizator tej przemiany i w jaki sposób ten katalizator jest otrzymywany.

3. Na podstawie uzyskanych wykresów stwierdzić, czy reakcja rozkładu wody utlenionej jest reakcją I rzędu.

4. Porównać stałe szybkości reakcji przebiegających z różną ilością katalizatora. Zbadać wpływ stężenia katalizatora na stałą szybkości reakcji. Według Ostwalda, stała szybkości reakcji jest liniową funkcją stężenia katalizatora. Katalizatorem rozkładu wody utlenionej jest koloidalny MnO₂ utworzony z dodanego do roztworu KMnO₄. Zatem stężenie katalizatora jest proporcjonalne do objętości dodanego roztworu KMnO₄ i w celu sprawdzenia słuszności równania Ostwalda stwierdzić, czy wykres zależności stałej szybkości k od objętości roztworu KMnO₄ użytego do wytworzenia katalizatora (MnO₂) jest linią prostą.

5. Przedyskutować mechanizm działania katalizatora w badanej reakcji.

1

---