过氧化氢的催化分解

过氧化氢的催化分解

一、实验原理

过氧化氢水溶液在室温下，没有催化剂存在时，分解反应进行得很慢，但在含有催化剂I–的中性溶液中，其分解速率大大加快，反应式为：2H2O2 == 2H2O + O2(g)

反应机理为： H2O2 + I– → H2O + IO– k1 (慢) (1) H2O2 + IO– → H2O + O2(g) + I– k2 (快) (2) 整个分解反应的速率由慢反应(1)决定，速率方程为： ?dcH2O2dt?k1cH2O2cI-

因反应(2)进行得很快且很完全，I–的浓度始终保持不变，故上式可写成： ?dcH2O2dt?kcH2O2

c0?kt c式中，k?k1cI-，k为表观反应速率常数。将上式积分得 ln此式表明，反应速率与H2O2浓度的一次方成正比，故称为一级反应。将上式积分得：

lnct??k1t?lnc0

式中c0、ct分别为反应物过氧化氢在起始时刻和t时刻的浓度。 反应半衰期为： t1/2?ln20.693 ?k1k1设H2O2完全分解时放出O2的体积为V∞，反应t时放出O2的体积为V， 则c0∝V∞，c∝(V∞ – V)，故 lnV??kt

V??VV??V?-kt V?lnln（V??V）?-kt+lnV?

以ln(V∞ – V)对t作图应得一直线，从直线斜率(– k)即可求得H2O2分解反应的速率常数。故实验需测定反应不同时刻O2的体积V及H2O2完全分解时O2的体积V∞。V∞可用下法之一求出。

(a) 加热法 在测定若干个V数据后，将H2O2溶液加热至50~60 ℃ 约15 min，可以认为H2O2已分解完全，待冷却至室温后，记下量气管的读数，即为V∞。

(b) 浓度标定法 用KMnO4标准溶液对H2O2原始浓度进行标定，O2近似按理想气体处理，则有

0RTcH2O2?VHORT2 V??nO2? ??2pO22pO2式中，pO2为O2的分压，是外界大气压与实验温度下水的饱和蒸气压之差。

二、仪器和试剂

量气装置 1套（见图）：恒温电磁搅拌器/量气管（含三通活塞和胶管）/水位瓶（以漏斗或量气管代替），秒表 1块，移液管（10mL，25mL）各 1支，容量瓶，锥形瓶，酸式滴定管；约H 2O2（3%），KI（0.2mol . dm –3），H2SO4（3mol . dm –3）。

图1 H2O2分解反应速率测量装置

1.电磁搅拌；2.茄形瓶（或锥形瓶）；3.橡胶塞；4.活塞；5.量气管；6.水准瓶；7.塑料盖 三、实验步骤

1．按图所示安装好仪器装置，检查装置是否漏气（检查漏气时可观察量气管中液面是否随水位瓶下降而下降）。水位瓶中装入红色染料水，其水量要使水位瓶提起时，量气管和水位瓶中的水面能同时达到量气管的最高刻度处。

试漏。旋转活塞4使量气管与大气相通，举高水准瓶，使液体充满量气管。然后旋紧橡胶塞

3，通过反复调整水准瓶和活塞到合适的位置，让反应体系和量气管相通而与大气隔绝的情况下，量气管内液面的位置在刻度1.00附近。读取量气管液面对应的读数。然后把水准瓶放在较低的位置，若量气管中的液面仅在初始有下降，而在随后2 min内保持不变，表示系统不漏气；否则应找出系统漏气的原因，并设法排除之。

注意：读取量气管读数时务必使水准瓶内液面和量气管内液面处于同一水平。 提示：系统漏气多发生在茄形瓶磨口塞处，可涂抹凡士林或真空脂。

3．用移液管（或滴定管）移取25 mL浓度约为3 %的H2O2溶液放入锥形瓶中，另外移入25 mL蒸馏水，加入磁搅拌子，用吸量管移取5mL 0.2 mol . dm –3 KI放入到小塑料盖内，再用镊子将其小心放入到盛有H2O2溶液的茄形瓶中，让盖子漂浮在液面上，不能让H2O2接触到K。

3．用手摇动茄形瓶，使塑料盖中的KI(s)与H2O2充分混合，记录反应起始时间，同时开启电磁搅拌开关，调节搅拌速度至中档。反应过程中不断调节水位瓶高低，保持水位瓶与量气管中水平面一致。量气管读数与零时刻读数之差即为等压下H2O2分解所放出O2的体积。量气管内O2体积以等时间间隔读取一次，若温度高，反应速率快，读取时间间隔宜以0.5 min；若温度低，反应慢，宜以1 min为准。最后都要测至量气管中O2的体积增加到50 mL为止。 4．改变KI或H2O2的浓度（也可改变反应温度），重复上述步骤，测定H2O2分解速率。

表1 浓度对反应速率的影响 室温_________

实 验 编 号 3% H2O2 试剂用量 mL 0.2 mol·L-1 KI 0.2 mol·L-1 KCl H2O Ⅰ 25 5 0 25 Ⅱ 10 5 0 40 Ⅲ 40 5 0 10 Ⅳ 25 1 4 25 Ⅴ 25 3 2 25 注：由于含有强电解质KI的水溶液的离子强度对反应速率的影响，若用不同的cKI作实验时，应外加第三组分（如KCl）以调节溶液的离子强度，使它们相同。 5．过氧化氢的准确浓度的标定。

（1）移取实验用约1mol . dm –3 H2O2 10 mL放入250 mL容量瓶中，用水稀释至刻度并摇匀。（2）移取25 mL稀释后的H2O2溶液放入锥形瓶中，加3 mol . dm –3 H2SO4 5 mL，用0.02mol . dm –3 KMnO4标准溶液滴定至淡红色为止，读取消耗KMnO4标准溶液的体积。重复三次，取平均值。

反应式为：5 H2O2 + 2 MnO4– + 6 H+ == 2 Mn2+ + 5 O2 + 8 H2O

根据滴定所用去的KMnO4标准溶液的体积即可求得H2O2的原始浓度，继而可求得V∞。

四、数据记录和处理

1．记录反应不同时刻t放出氧气的体积Vt，用浓度标定法求得V∞。 数据处理示例

T= K；气压 pa ；c (H2O2)=3%；c (KI) =0.2mol·L-1；V∞ = mL

t/s 1/t /s-1 ⅴt/ mL （ⅴ∞-ⅴt）/ mL ln（ⅴ∞-ⅴt） 2．以ln(V∞ – V)对t作图，从直线斜率(– k)求得H2O2分解反应的速率常数k。 3．动力学方程式的建立有微分法和积分法两种方法。

积分法：如本实验所示，ln（V??V）?-kt+lnV?，若ln(V∞ – V)对t作图为直线即证明这是一级反应，由斜率求得k。

微分法：r= -dc/dt = kcα，这里r为反应速率，c为反应物H2O2的浓度，t为时间，α为反应级数。由此，lnr= lnk +αln c，以lnr 对lnc作图为直线，斜率为反应级数α，截距为ln k，即可求得反应速率系数k。

本实验令k?k1cI-，即设催化剂KI反应级数为一级。如要验证反应对cKI 确为一级反应，并求得该反应的速率系数 ，还必须以lnk 对lncI-作图。若得直线的斜率接近1，即证明此反应对cKI确为一级，并可求得k’值。

4．由不同浓度H2O2、KI所得的速率常数，讨论反应物、催化剂浓度（或温度）对反应速率的影响。 五、注意事项

1．除KI可作催化剂以外，其它的如Ag、MnO2、FeCl3、Fe2(SO4)3等也都是该分解反应的

很好的催化剂。 2．系统不能漏气。

3．反应开始前，先开启搅拌器，再加入催化剂，注意顺序！加入催化剂要一次完成！ 4．秒表读数必须连续，切不可中途停表。

5．搅拌速度要适中，每次实验的搅拌速度尽量保持一致；开始反应后，不能随意调节搅拌速度！

6．水位瓶移动不要太快，以免液面波动剧烈。

7．实验中V∞可用化学分析法测定。先在酸性溶液中用KMnO4标准溶液滴定求出过氧化氢的起始浓度，滴定反应为：

2MnO4-+6H++5H2O22Mn2++5O2+8H2O

再求所用过氧化氢按式(C2-1)完全分解时产生O2的摩尔数，根据理想气体状态方程就可以计算出V∞，即

V??nO2RTp大气?p*H2O (C2-8)

*式中：p大气为大气压，pH为实验温度下水的饱和蒸汽压；T为实验温度；R为气体常数。 2O

严格地讲，用含水量气管测量气体体积时，都包含着水蒸气的分体积。若在某温度时，水蒸气已达饱和，则Vt应按下式计算：

Vt?Vt,测量(1?*pH2Op大气)

水的饱和蒸气压 (×102Pa，273.2～313.2K)

温度/K 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282

0.0 － 6.473 6.958 7.473 8.019 8.603 9.222 9.881 10.580 11.324

0.2 6.105 6.567 7.058 7.579 8.134 8.723 9.350 10.017 10.726 11.478

0.4 6.195 6.663 7.159 7.687 8.249 8.846 9.481 10.155 10.872 11.635

0.6 6.286 6.759 7.262 7.797 8.365 8.970 9.611 10.295 11.022 11.792

0.8 6.379 6.858 7.366 7.907 8.483 9.095 9.745 10.436 11.172 11.952

283 12.114 284 12.951 285 13.839 286 14.779 287 15.776 288 16.831 289 17.947 290 19.128 291 20.377 292 21.694 293 23.090 294 24.561 295 26.114 296 27.751 297 29.478 298 31.299 299 33.213 300 35.232 301 37.358 302 39.593 303 41.945 304 44.412 305 47.011 306 49.740 307 52.605 308 55.609 309 58.766 310 62.070 311 65.537 312 69.166 313

72.977

12.278 12.443 13.124 13.300 14.023 14.210 14.973 15.171 15.981 16.191 17.049 17.260 18.177 18.410 19.372 19.618 20.634 20.896 21.968 22.245 23.378 23.669 24.865 25.171 26.434 26.758 28.088 28.430 29.834 30.195 31.672 32.049 33.609 34.009 35.649 36.070 37.796 38.237 40.054 40.519 42.429 42.918 44.923 45.439 47.547 48.087 50.301 50.869 53.193 53.788 56.229 56.854 59.412 60.067 62.751 63.437 66.251 66.969 69.917 70.673 73.759

－

12.610 12.779 13.478 13.658 14.397 14.587 15.369 15.572 16.401 16.615 17.493 17.719 18.648 18.886 19.869 20.121 21.160 21.426 22.523 22.805 23.963 24.261 25.482 25.797 27.086 27.418 28.775 29.124 30.560 30.928 32.432 32.820 34.413 34.820 36.496 36.925 38.683 39.135 40.990 41.466 43.411 43.908 45.958 46.482 48.632 49.184 51.441 52.020 54.390 54.997 57.485 58.122 60.727 61.395 64.131 64.831 67.693 68.425 71.434 72.202 －

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