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过氧化氢分解
一、目的
;
,了解反应浓度、温度和催化剂等因素对一级反应速率的影响。
二、 原理
。H2O2的分解反应即属一级反应:
H2O2=1/2 O2+H2O
其反应速率方程可写为:
式中k为反应速率常数,cA,t为时间t时的反应物浓度,积分得
式中cA,0为反应开始时的初浓度。
以lncA,t对时间t作图,可得一直线,其斜率为反应速率常数的负值-k,截距为lncA,0。
当cA,t=0。5cA,0时,则t可用t1/2表示,即反应的半衰期。
t1/2=ln2/k
可见,在温度一定时,一级反应的半衰期与反应速率常数成正比,而与反应物的起始浓度无关。
图1 测压法实验装置
(1)微压差测定仪;(2)导气管;(3)外循环恒温水浴槽;(4)反应液;(5)磁力搅拌器
2。化学反应速率取决于许多因素,例如反应物浓度和压力、温度、催化剂、溶剂、酸碱度、光化反应的光强度、多相反应的分散度以及搅拌强度、微波、超声波、磁场等都可能对反应产生影响。某些催化剂可以明显地加快反应速率,能加速分解H2O2的催化剂有Pt、Ag、MnO2、CuO(多相催化剂)、Cu2+、Fe3+、Mn2+、I—(均相催化剂)等。
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。本实验采用测压法进行研究[1],装置如图1.(本次实验测定室温下的速率,未配套外循环恒温水浴装置)。使H2O2分解反应在一个体积固定的体系内进行,反应过程放出的O2将使系统内压强增加,通过与反应瓶相连的微压差测定仪跟踪压强增值随时间的变化研究反应的进程.
若p∞表示H2O2全部分解时体系的最终压强增加值;pt表示表示经反应时间t后体系的压强增加值,由于恒温条件下有∝(cA,0—cA,t)∝pt,∝cA,0∝p∞,则速率方程的积分式亦可表示为:
以ln[(p∞-pt)/Pa]对作图,由直线的斜率也可求得速率常数k。
p∞可以采用以下两种方法求取:
(1)外推法,以1/t为横坐标对pt作图,将直线段外推至1/t=0(即t为∞),截距即为p∞。该法须使反应接近完全方可相对准确的推出截距。
(2)加热法,即在测定若干pt后,将反应瓶置于50-60℃下约15min,促进H2O2快速完全分解,再冷却回原反应温度,记下的压强即为p∞。
也可以不测p∞,而用Guggenheim法数据法处理。公式推导如下:
以ln[(pt+Δ—pt)/Pa]对作图,由直线的斜率也可求得速率常数k。Δ应取半衰期的2~3倍,因此应用该法的前提是反应须进行到接近完全。为了便于数据处理,一般取相同间隔的整数时间读数。
4。实验内容的设计
O2是一种价廉的、强氧化性的绿色氧化剂,在纸浆氧漂、有机污水的湿法催化氧化处理(WAO,CatalyticWetOxidation)等领域中的应用[2,3]日益引起人们的重视。但常温附近O2起氧化作用的速率太慢,,能显著促进H2O2分解的催化剂同样能促进逆反应O2生成H2O2速率的提高,继而提高
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O2的氧化作用速率。本实验任选一个实验条件,测定Cu2+、Fe3+对H2O2分解的催化活性及溶液的酸碱性对分解的影响,作为其应用的前期探索.
三、仪器和试剂
1。仪器:微压差测定仪,磁力搅拌器,250mL锥形瓶(配单孔橡皮塞),50 mL量筒,1mL吸量管5根,吸耳球,铁架台,铁夹,计时器(自备)。
: 的Cu(NO3)2、0。5mol/LFe(NO3)3、3%H2O2、、.
四、实验步骤
取50 mL蒸馏水于洁净的锥形瓶中,加入1mL的催化剂(二选一),放入洁净的搅拌磁子,开启搅拌。(三选一)混匀。
关闭磁力搅拌!移取1mL3%H2O2溶液,注入装有催化剂的锥形瓶中,塞紧瓶塞。将微压差测定仪置零,开启磁力搅拌器同时开始计时。过氧化氢分解放出的氧气使系统压力增高。每隔1min记录一次微压差测定仪显示的系统压力增加值,直至反应接近完全为止。
五、数据处理
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表1数据记录与处理示例
t
/min
pt
/Pa
t+20(?)min
/min
pt+20min
/Pa
pt+20min-pt
/Pa
ln[(pt+20min-pt)/Pa]
1
21
2
22
3
23
4
24
5
25
6
26
7
27
8
28
9
29
10
30
...
.。。
实验条件:实验温度: ℃ ,催化剂: ,介质酸碱性:
(注:Δ根据实验具体结果选取,不可一概模仿本记录表的20min。)
。使用Excel或Origin7。0软件处理和作图。以ln[(pt+Δ-pt)/Pa]对作图,求得速率常数k及线性相关系数。
2。结论:(1)t1/2= ,
(2)比较同学间的实验结果,的催化分解活性更强;
(3)比较同学间的实验结果,在 性介质中的稳定性更强;
(4)比较同学间不同温度下的实验结果,在 条件下,
T1 = K时,k1= ,
T2= K时,k2= ,
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图2ln(pt+20min-pt)~t关系效果图
活化能为 。
六、注意事项
;
;
—注入H2O2、加塞、微压差测定仪置零、启动磁力搅拌器、按下秒表计时,要迅速而有条理.
“蔗糖水解实验”
七、参考文献
图3测体积法装置[1]
(1)电磁搅拌器;(2)250mL锥形瓶;(3)催化剂托盘;(4)三通旋塞;(5)50mL量气管;(6)旋塞;(7)水位瓶
.《物理化学实验》(第三版)。高等教育出版社,1989:130-132。
,赵捷夫,。上海环境科学,2002;21(4):199—201.
3。李启良,陈建林。催化氧化法处理有机废水催化剂的选择应用. 污染防治技,2003;16(2):34-36。
。,2003;18(2):12-15。
勇,鲍正荣,(自然科学版),2005;18(1):101—104.
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