Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru

POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
KATALITYCZNY ROZKŁAD NADTLENKU WODORU
Miejsce ćwiczenia:
Zakład Chemii Fizycznej, sala 209/c
LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I
HETEROGENICZNEJ
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów kinetycznych katalitycznego rozkładu nadtlenku
wodoru.
2. WSTĘP TEORETYCZNY
Rozkład 3+
wody utlenionej w roztworze przyśpiesza bardzo wiele jonów, między innymi
Cr2O7 oraz Fe . Substancje przyśpieszające rozkład katalizatora tworzą z cząsteczką wody
utlenionej produkt przejściowy, który następnie ulega rozkładowi z wydzieleniem pierwotnej
postaci katalizatora oraz produktów rozkładu.
Mechanizm tego procesu można przedstawić następującym schematem:
2-
nA K Kc M
M
kr
produkty rozkładu
K
(1)
(2)
gdzie
A - cząsteczka substratu
K - cząsteczka katalizatora
M - cząsteczka substancji przejściowej
Kc - stała równowagi reakcji (1)
kr - stała szybkości reakcji (2)
Substancja przejściowa M powstaje w stosunkowo szybkim procesie odwracalnym, a
nietrwałe to połączenie rozpada się na produkty reakcji oraz cząsteczkę katalizatora stosunkowo
powoli. Ponieważ szybkość reakcji jest określona przez szybkość rozpadu substancji przejściowej
można napisać:
d A
dt k r M
(3)
Z warunków równowagi natomiast możemy wyliczyć stężenia produktów przejściowych:
Kc
M
A K M
M
Kc A K
n
1 Kc A
n
(4)
stąd
n
i ostatecznie:
(5)
d A
dt
n
Kc k r A K
n
A
1 Kc
(6)
Wynika z tego, że szybkość reakcji rozkładu jest wprost proporcjonalna do stężenia katalizatora K,
a rząd reakcji zależy od wielkości Kc(A)n.
Jeżeli Kc(A)n
1, to równowaga przesunięta jest na stronę tworzenia produktu
przejściowego i wówczas rząd reakcji względem stężenia substratów wynosi zero.
dA
K
dt k r
(7)
oraz gdy Kc(A)n <<1, wówczas rząd reakcji względem stężenia substratów wynosi n.
d A
A
dt k r K c
n
K
(8)
Formalny rząd reakcji może zmieniać się od 0 do n i przyjmować wartości ułamkowe. Fakt
ten jest w katalizie jednorodnej zjawiskiem powszechnym. Doświadczalnie stwierdzono, że dla
reakcji rozkładu nadtlenku wodoru katalizowanej przez jony dwuchromianowe rząd reakcji zmienia
się z temperaturą i przy wzroście temperatury od 0 - 560 C wzrasta od wartości 0 - 2.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura
Termostat, naczyńko termostatowe, biureta gazowa na 50 cm3.
Odczynniki
H2O2 (roztwór ~ 30 %), KMnO4 roztwór 0,02 M, K2Cr2O7, roztwór 0,1 M, FeCl3 roztwór 0,1 M.
W kolbach miarowych sporządzić roztwory nadtlenku wodoru i katalizatora o stężeniach
dwukrotnie wyższych od stężeń jakie powinny być w roztworze reakcyjnym (np. jeśli mamy
prowadzić pomiar kinetyki rozkładu H2O2 o stężeniu początkowym 0.1 M, a stężenie katalizatora w
-3
tym roztworze ma wynosić 1 10 M, to przygotowujemy roztwory H2O2 o stężeniu 0,2 M oraz
-3
katalizatora o stężeniu 2 10 M. Należy sporządzić 100 cm3 roztworu H2O2 i 50 cm3 roztworu
katalizatora. Przy sporządzaniu roztworów przyjąć, że gęstość ich jest równa 1 g/cm3. W celu
wyznaczenia dokładnego stężenia roztworu H2O2 należy pobrać 2 cm3 przygotowanego roztworu,
dodać ~100 cm3 wody destylowanej, ~2 cm3 30 % H2SO4 i miareczkować roztworem
nadmanganianu potasu do uzyskania trwałego zabarwienia. Po przygotowaniu roztworów do
naczyńka termostatowego umieszczonego na mieszadle magnetycznym odmierzamy 25 cm3
roztworu H2O2 . Włączamy mieszadło magnetyczne i czekamy, aby temperatura roztworu w
naczyńku termostatowym osiągnęła żądaną wartość. Należy pamiętać o tym, aby wcześniej załączyć
termostat oraz w naczyńku termostatowym umieścić mieszadełko. Kolbę z przygotowanym
roztworem katalizatora umieszczamy w termostacie, aby również osiągnął żądaną temperaturę.
Oczekując na wyrównanie się temperatur roztworów reakcyjnych przygotowujemy do pomiarów
biuretę gazową. W tym celu otwieramy kran biurety, zdejmujemy z wieszaka zbiornik
wyrównawczy i napełniamy biuretę cieczą do pełnej objętości. Po napełnieniu biurety zamykamy
kran i zbiornik wyrównawczy umieszczamy na wieszaku. Po osiągnięciu przez roztwory reakcyjne
żądanej temperatury odmierzamy pipetą roztwór katalizatora w ilości 25 cm3 i wlewamy go szybko
do naczyńka termostatowego, naczyńko zamykamy szczelnie korkiem połączonym z biuretą gazową
i otwieramy kran biurety. Po otwarciu kranu wyrównujemy poziomy cieczy w biurecie gazowej oraz
w zbiorniku wyrównawczym i odczytujemy objętość gazu znajdującego się w biurecie. Pomiar
objętości wydzielonego z roztworu reakcyjnego tlenu wykonujemy początkowo co 2 minuty, a
potem co 5 i co 10 minut. Należy przy tym pamiętać, aby przy odczytywaniu objętości gazu
poziomy cieczy w biurecie i w zbiorniku wyrównawczym były takie same. Pomiary objętości
wydzielonego tlenu należy prowadzić do momentu przereagowania około 80 % początkowej ilości
H2O2 . Zazwyczaj trwa to około 45 minut. W celu określenia dokładnego stężenia nadtlenku wodoru
po zakończeniu pomiaru pobieramy z naczyńka termostatowego do dwóch kolbek stożkowych po
10 cm3 roztworu poreakcyjnego . Dodajemy po około 100 cm3 wody destylowanej,. zakwaszamy
około 2 cm3 30 % kwasu siarkowego i miareczkujemy roztworem nadmanganianu potasu. Pobranie
próbek roztworu reakcyjnego i przeniesienie ich do kolbek z wodą destylowaną powinno nastąpić
natychmiast po zakończeniu pomiaru wydzielania tlenu.
Pomiar powtarzamy dla tych samych stężeń początkowych H2O2 i katalizatora w innej
temperaturze. Należy zanotować ciśnienie atmosferyczne oraz temperaturę otoczenia. Na podstawie
tych danych oraz objętości wydzielonego gazu obliczamy ilość moli powstałego tlenu.
4. Zasady bezpieczenstwa i utylizacji odpadów
UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia
Odczynnik
K2Cr2O7
FeCl3
KMnO4
Klasyfikacja
Może powodować raka. Działa
szkodliwie w kontakcie ze skórą.
Działa toksycznie po połknięciu. Działa
bardzo toksycznie przez drogi
oddechowe. Powoduje oparzenia.
Działa bardzo toksycznie na organizmy
wodne. Kontakt z materiałami
zapalnymi może spowodować pożar.
Działa szkodliwie po połknięciu.
Działa drażniąco na skórę. Ryzyko
poważnego uszkodzenia oczu.
Działa szkodliwie po połknięciu.
Działa bardzo toksycznie na organizmy
wodne; może powodować długo
utrzymujące się niekorzystne zmiany w
środowisku wodnym
Kontakt z materiałami zapalnymi może
spowodować pożar.
Powoduje oparzenia. Działa drażniąco
na oczy i skórę
30 % H2SO4
Postępowanie
Środki bezpieczeństwa
z odpadami
Przy kontakcie z oczami: płukać dużą ilością wody przy szeroko
umieścić w pojemniku na
otwartej powiece. Natychmiast skontaktować się z okulistą.
odpady
nieorganiczne
Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody. Natychmiast
oznaczone literą „N”
zmienić zanieczyszczone ubranie.
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, spowodować wymioty.
Natychmiast wezwać lekarza. Uwaga ogólna: ostrożnie oczyścić
ewentualne rany i zabezpieczyć materiałem sterylnym.
Przy wdychaniu: świeże powietrze. Jeżeli konieczne wezwać lekarza.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, zdjąć zanieczyszczoną odzież umieścić w pojemniku na
Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą, natychmiast
odpady
roztwory
soli
skonsultować się z okulistą
nieorganicznych oznaczone
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza
literą „S”
Przy wdychaniu: świeże powietrze
Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przy szeroko umieścić w pojemniku na
odchylonej powiece. Skontaktować się z okulistą.
odpady
nieorganiczne
Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody. Zdjąć skażoną
oznaczone literą „N”
odzież.
Przy spożyciu: gdy poszkodowany jest przytomny podać dużą ilość
wody. Unikać wymiotów (ryzyko perforacji). Natychmiast wezwać
lekarza
Przy wdychaniu: zapewnić dostęp świeżego powietrza. Jeżeli
poszkodowany poczuje się niezdrowo wezwać lekarza.
Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, przyłożyć glikol umieścić w pojemniku na
polietylenowy 400, zdjąć zanieczyszczoną odzież.
odpady
nieorganiczne
Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody przez co
oznaczone literą „N”
najmniej 10 minut, skonsultować się z okulistą
Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, unikać wymiotów, wezwać
lekarza
Przy wdychaniu: świeże powietrze, wezwać lekarza
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW
a) Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli 1. Dodatkowo w wynikach pomiarów należy podać
ilość KMnO4 zużytego do miareczkowania roztworu poreakcyjnego, a także ciśnienie
atmosferyczne i temperaturę otoczenia.
Uwaga: stężenie roztworu c w czasie trwania pomiaru należy obliczać na podstawie wyniku
miareczkowania oraz objętości wydzielonego tlenu.
b) Na podstawie zestawionych w tabeli wyników sporządzić wykres zależności stężenia H2O2 od
czasu.
c) Zestawiamy w tabeli 2 wyniki obliczonych szybkości reakcji oraz odpowiadających im stężeń,
jak również obliczone logarytmy szybkości reakcji i logarytmy odpowiadających im stężeń.
d) Wykonujemy wykres zależności logarytmu szybkości reakcji od logarytmu stężenia.
e) Z wykonanego wykresu odczytujemy stałą szybkości reakcji oraz rząd reakcji przyjmując za
podstawę uproszczone równanie:
d HO
dt
2
2
n
k HO
2
(9)
2
Na podstawie obliczonych stałych szybkości reakcji dla dwóch temperatur obliczamy energię
aktywacji katalitycznego rozkładu H2O2.
Tabela 1.
Nr
pom.
Objętość wydz. Ilość moli
tlenu
wydz. tlenu
Czas
od pocz.
pomiaru
Ilość moli
H2O2 w roztw.
reakc.
Stęż. H2O2 w
roztw. reakc.
Tabela 2.
L.p.
Stężenie H2O2
Szybkość reakcji
log c
log (-dc / dt)
6. LITERATURA
1. Praca zbiorowa - Chemia Fizyczna, Warszawa, 1966, pkt. 17,1 - 17,9; 17,15 - 17,22; 17,33 17,34.
2. G. Barrow - Chemia Fizyczna, Warszawa, 1971, rozdz. 15.
3. G. M. Panczenkow, W. P. Lebiediew - Kinetyka Chemiczna i Kataliza, Warszawa, 1964, (97 99).
7. Pytania kontrolne
1. Co to są katalizatory i jaki jest sposób ich działania, podać przykłady.
2. Czy katalizatory mają wpływ na zmianę wielkości parametrów termodynamicznych
w układach reakcyjnych?
3. Podać zasadnicze różnice między katalizą jednofazową i wielofazową.
4. Co to jest energia aktywacji i jaki wpływ na tę wielkość mają katalizatory?
5. Dlaczego formalny rząd reakcji w katalizie jednorodnej może przyjmować wartości
ułamkowe?
6. Jaki jest wpływ stężenia katalizatora na szybkość reakcji w katalizie jednorodnej?