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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