過氧化氫的分解速率

一、目的
在定溫下,用不同濃度的催化劑(KI)催化H2O2並求得反應速率常數(測氧氣體積)

二、原理
1.催化劑
2.過氧化氫的分解
3.過氧化氫的級數(一級)
4.為何使用KI當催化劑

1.催化劑
定義: 是參與化學反應和改變反應速率,而本身沒有質量和化學性質的改變
類別:
   (1)正催化劑[1]:可降低正、逆反
應活化能,使正逆、反應速率增加
     
      負催化劑:可增加正、逆反應
活化能,使正逆、反應速率降低


(2)均相催化[2](homogeneous catalysis):反應物和催化劑在同一相中反應

   非均相催化(heterogeneous catalysis):反應物和催化劑在不同相中反應

*此實驗的催化劑為碘化鉀(KI),為正催化劑和是以均相來催化反應物

2.過氧化氫的分解


過氧化氫在酸中性和鹼性反應過程不同
   1.酸中性下[3]:
                  H2O2(aq) + 2 H+(aq) + 2e- → 2H2O(l)
                  H2O2(aq) → O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-
        總反應:    2 H2O2(aq) → O2(g) + 2 H2O(l) 
   2.鹼性下[4]:
               OH-(aq) + H2O2(aq) → HO2-(aq) + H2O(l)
               HO-2(aq) + H2O2(aq) → O2(g) + OH-(aq) + H2O(l)
        總反應:   2 H2O2(aq) → O2(g) + 2 H2O(l) 

H2O2氧化過程為一級反應

H2O2加入催化劑(鹵化物)的比較[6]

H2O2在水溶液中為一弱酸,其酸常數(Ka)為2.4×10-12 (25℃)
                   H2O2(aq) → H+(aq) + HO2-(aq)

H2O2為熱力學不穩定化合物,會自動分解

     2 H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g) (△G°=-116.8 kJ/mol H2O2 )

△G= △H- T△S (熵與焓、溫度與亂度)


KX(s)→ K+(aq)+X-(aq)的焓變化很相近
    (△H∼31-32 kJ/mol) => △G= △H- T△S 
   =>所以比較 KX(s)熵(熵與溶解度有關)


推論:溶解度KI(S)>KBr(S)>KCl(S)


H2O2與X-離子(X=Cl或Br)在水溶液中之反應須在酸催化下才有較快的反應

   機制:
    H2O2 + X- + H+ → HOX + H2O (慢) 
    H2O2 + HOX → O2 + X- + H++ H2O (快) 



*25℃時的反應速率常數

三、藥品與儀器裝置


儀器                   ˙藥品 
1.  100ml燒杯*1         1.H2O2
2.  5、10ml移液管*1      2.KI
3.  水準瓶*1
4.  安全吸球*1
5.  量器管100ml*1
6.  250ml錐形瓶*1
7.  100ml量筒*1
8.  溫度計*1
9.  恆溫槽*1
10.鍋子*1

實驗步驟

1.將恆溫槽設定在35℃
2.  (1)配製0.05N及0.1N碘化鉀溶液各10ml
    (2)配製3%過氧化氫溶液5ml 
(1)配置0.05N及0.1N碘化鉀(166.01g/mol)溶液。
   0.05N:取0.083g 碘化鉀溶於10ml水中。   0.1N:取0.166g 碘化鉀溶於10ml水中。
  
(2)配製3%過氧化氫(34.2g/mol)溶液。
   取0.86ml 35% H2O2 溶液稀釋至10ml。

*當量數(Eq)=

   W=重量,M=分子量,n=每單位解離數
4.將水準瓶中加入適量水,使水面與量氣        
   管頂端刻度相等,用手舉著。
Tip:盡量與0刻度同高為起始點

5.吸量管吸5ml 3% H2O2溶液,注入置於恆溫槽中之錐形瓶。

6.吸量管吸10ml 0.05N KI(催化劑),迅速注入瓶內塞回橡皮塞,放回恆溫槽中並激烈震盪。

7.催化劑一注入即開始計時,每30秒紀錄一次產生的O2體積,至O2體積不再增加為止(通常須要15~30分鐘)。

8.將錐形瓶移至45℃水浴加溫數分鐘後放回恆溫槽(保持密閉),穩定後調整水面等高,記錄此時O2體積為V∞。

9.改用0.1N 碘化鉀溶液做催化劑,重複所有步驟。

氧氣濃度與過氧化氫有下列關係:

以                       對時間 t 作圖,可得一斜率
 
為k之直線,可求得反應速率常數 k。

又可整理得下式:










所以若以                   對t作圖,應得一斜率為
    的直線,如此亦可求出k。

四、數據及結果

計算過程:
            斜率 = -0.0015
            斜率 = -k /2.303 = -0.0015
             k = 0.00345 (反應速率常數)

計算過程:

            斜率 = -0.0025
            斜率 = -k /2.303 = -0.0025
             k = 0.00575 (反應速率常數)
參考資料

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