Badanie kinetyki katalitycznego rozkładu H2O2.

Odczynniki: mianowany roztwór KMnO₄, 0.01 i 0.02 M Fe₂(SO₄)₃, 1 % H₂O₂, 2 M H₂SO₄.

Szkło: biurety, kolby stożkowe, pipety skalowane, gruszki gumowe, dozowniki.

Materiał teoretyczny: podstawowe pojęcia kinetyki chemicznej (szybkość reakcji, rząd, stała szybkości), czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych. Manganometryczne oznaczanie nadtlenku wodoru.

Wprowadzenie

1. Reakcje pierwszego rzędu.

Reakcję pierwszego rzędu można przedstawić równaniem: A → B.

Szybkość tej reakcji jest proporcjonalna do pierwszej potęgi chwilowego stężenia c_A substratu A:

v = k c_A

Mierząc szybkość reakcji jako ubytek stężenia substratu A w funkcji czasu, otrzymujemy równanie kinetyczne w postaci różniczkowej:

Rozdzielając zmienne i całkując obustronnie powyższe równanie otrzymujemy:

ln

Stałą całkowania wyznaczamy z warunków początkowych: dla t = 0, c_A= a, stąd:

czyli:

przekształcając powyższe równanie otrzymujemy:
. Z równania tego otrzymujemy:

czyli:

stąd:

Z równań powyższych wynika, że dla reakcji pierwszego rzędu:

- stężenie substratu maleje wykładniczo w funkcji czasu: c_A= a e^-kt

- zależność
w funkcji czasu t jest liniowa. Z nachylenia prostej względem osi czasu wyznacza się stałą szybkości k

- wymiarem stałej szybkości jest odwrotność jednostki czasu.

2. Rozkład nadtlenku wodoru zachodzi wg równania:

H₂O₂ → H₂O + ½ O₂↑

W zwykłej temperaturze i bez katalizatora samorzutny rozkład zachodzi bardzo wolno. Reakcję tę katalizuje wiele substancji, w tym jony metali, a także promieniowanie UV. W zależności od rodzaju katalizatora powstają różne produkty przejściowe w etapach pośrednich i ogólny rząd reakcji może mieć różne wartości. W przypadku katalizy jonami Fe³⁺ kinetyka odpowiada reakcji pierwszego rzędu. Postęp reakcji rozkładu H₂O₂ można śledzić w oparciu o ubytek substratu, tzn. H₂O₂.

Cel ćwiczenia: potwierdzenie rzędowości reakcji katalitycznego rozkładu H₂O₂ w obecności Fe³⁺, określenie wpływu katalizatora na szybkość reakcji oraz wyznaczenie stałych szybkości reakcji.

Wykonanie

1. Przygotowanie mieszanin reakcyjnych i pobieranie próbek.

Do trzech ponumerowanych kolb stożkowych wprowadzić po 75 cm³ 1% roztworu nadtlenku wodoru, a następnie odpowiednio:

kolba 1 - 5 cm³ wody destylowanej [0 M Fe₂(SO₄)₃ ]

kolba 2 - 5 cm³ 0.01 M Fe₂(SO₄)₃

kolba 3 - 5 cm³ 0.02 M Fe₂(SO₄)₃,

Czas dodania katalizatora Fe₂(SO₄)₃ uważamy za czas rozpoczęcia reakcji rozkładu nadtlenku wodoru. Pobrać próbki o objętości po 5 cm³ odpowiednio:

kolba 1 - 3 próbki co 30 min (t = 0, t = 30 min, t = 60 min).

kolby 2 i 3 - po 5 próbek co 15 min (t = 15 min, t = 30 min, t = 45 min, t = 60 min).

Próbka pobrana z kolby 1 (bez katalizatora) dla t = 0, odpowiada próbkom dla t = 0, z katalizatorem. Próbki wprowadzać do kolb zawierających po 10 cm³ 2 M H₂SO₄. We wszystkich przypadkach za czas pobrania próbki przyjmujemy moment wprowadzenia próbki do roztworu H₂SO₄ (w silnie kwaśnym środowisku rozkład nadtlenku wodoru zostaje zahamowany). Ilość nierozłożonego H₂O₂ oznaczać miareczkując mianowanym roztworem KMnO₄.

2. Manganometryczne oznaczanie H₂O₂.

Nadtlenek wodoru w stosunku do silnych utleniaczy (np. MnO₄^-, PbO₂, MnO₂) zachowuje się w środowisku kwaśnym jak reduktor. Reakcję nadtlenku wodoru z manganianem(VII) potasu przedstawia równanie:

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

Aby reakcja przebiegła dość szybko musi być znaczne stężenie kwasu siarkowego w miareczkowanym roztworze.

Pobraną próbkę roztworu H₂O₂ o objętości 5 cm³ wprowadzić do kolby stożkowej zawierającej 10 cm³ 2 M H₂SO₄ i miareczkować mianowanym roztworem KMnO₄ o stężeniu C, do trwałego, lekko różowego zabarwienia.

Zawartość H₂O₂ (w mol/dm³) obliczyć wg wzoru:

3. Opracowanie wyników.

a) Obliczyć stężenie H₂O₂ w poszczególnych próbkach.

Stężenie H₂O₂ w próbce bez katalizatora dla t = 0 odpowiada początkowemu stężeniu H₂O₂ (c_A = a).

b) Sporządzić wykresy zależności stężenia H₂O₂ od czasu reakcji dla mieszanin reakcyjnych 1,2,3.

c) Sporządzić wykresy zależności ln c_H2O2 od czasu reakcji dla mieszanin reakcyjnych 1,2,3, wykreślić proste i wyznaczyć ich nachylenia (k).

d) Przedyskutować otrzymane wartości stałych szybkości k w badanych układach.

Nr	Katalizator Fe2(SO4)3	Czas reakcji [min]	Objętość KMnO4 [cm^3]	Stężenie H2O2 [mol/dm^3]	ln (a/cH2O2)	k [min^-1]
1	-	0		a =
				30
				60
		2	0.01 M	0
				15
				30
				45
				60
		3	0.02 M	0
				15
				30
				45
				60

Literatura

1. Krzysztof Pigoń, Zdzisław Ruziewicz „Chemia fizyczna” PWN Wwa

2. Peter Wiliam Atkins „Podstawy chemii fizycznej” PWN

2

---