KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ
Celem ćwiczenia jest zbadanie reakcji rozkładu H2O2 i zbadanie wpływu katalizatora, którym jest MnO2 na szybkość tej reakcji.
Proces rozkładu wody utlenionej przebiega według reakcji
H2O2 → H2O + ½ O2
Zmiany stężenia H2O2 można określić poprzez miareczkowanie pobieranych po różnych czasach próbek roztworem nadmanganianu 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 wyniku reakcji:
2 MnO4− + 3 H2O2 → 2 MnO2 + 3 O2 + 2 H2O + 2 OH−
Badana reakcja jest reakcją pierwszego rzędu, opisaną równaniem kinetycznym
(1)
gdzie c jest stężeniem nadtlenku wodoru po czasie t, k jest stałą szybkości.
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: załącznik “Podstawy kinetyki chemicznej i katalizy”.)
Zagadnienia do opracowania
1. Pojęcie szybkości reakcji chemicznej, stała szybkości, rząd reakcji, cząsteczkowość.
2. Równania kinetyczne dla reakcji różnych rzędów, metody wyznaczania stałej szybkości reakcji.
3. Metody wyznaczania rzędu reakcji.
4. Zależność stałej szybkości reakcji od temperatury. Energia aktywacji.
5. Kinetyka reakcji katalizowanych, równanie Ostwalda.
6. Kataliza i jej rodzaje (kataliza homogeniczna, heterogeniczna, mikroheterogeniczna, kataliza kwasowo-zasadowa, ujemna, autokataliza).
7. Mechanizm działania katalizatorów.
8. Zastosowanie katalizy w przemyśle.
9. 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. Załącznik w skrypcie: “Podstawy kinetyki chemicznej i 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
Przygotować 50 cm3 roztworu H2O2 przez rozcieńczenie perhydrolu według wskazań asystenta.
Do czterech erlanmayerek wlać po 150 cm3 wody destylowanej oraz po 50 cm3 buforu boranowego i 5 cm3 rozcieńczonego roztworu H2O2.
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.
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.
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.
Kolejne próbki z erlenmayerki pobierać co parę minut i powtarzać czynności opisane w punkcie 4. Wykonać 10 oznaczeń.
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 i 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
Przedstawić badaną reakcję chemiczną. Opisać sposób oznaczania aktualnego stężenia H2O2 w próbkach pobieranych z mieszaniny reakcyjnej.
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.
Na podstawie uzyskanych wykresów stwierdzić, czy reakcja rozkładu wody utlenionej jest reakcją I rzędu.
Porównać stałe szybkości reakcji przebiegających z różną ilością katalizatora. Zbadać wpływ stężenia katalizatora na sta*ą 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 należy stwierdzić, czy wykres zależności doświadczalnie wyznaczonej stałej szybkości od objętości roztworu KMnO4 użytego do wytworzenia katalizatora (MnO2) jest linią prostą.
Przedyskutować mechanizm działania katalizatora w badanej reakcji.
3