CN103499513B - 一种测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法。本发明的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，包括有气压计（1）、橡皮塞（2）、反应器（3）、磁力搅拌器（4），其中气压计（1）、反应器（3）的瓶口装设有橡皮塞（2），气压计（1）的进气口通过连接管插入橡皮塞（2）所设的通孔与反应器（3）相通，反应器（3）中加入搅拌子，反应器（3）置于磁力搅拌器（4）内。本发明测定过氧化氢催化分解反应速率的装置设计合理，结构简单,能测定过氧化氢催化分解的反应速率常数和半衰期。本发明的测定过氧化氢催化分解反应速率的方法实验操作更简单，实验数据更准确。
Description
技术领域
本发明是一种测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法，属于测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法的创新技术。
背景技术
目前，物理化学实验室普遍使用的测定过氧化氢催化分解的反应速率及半衰期的装置，都是使用量气法测量反应中产生的气体体积，即为在反应产生气压与大气压相等条件下，测定反应过程中生成气体体积随时间的变化，通过气体体积与反应物浓度的关系计算得出反应速率常数。为了测出氧气进行一定时间时产生的体积，则使用如图1的实验装置，要求水准瓶的液面与量气管液面保持同一水平，即为了保证等压情况下测出产生氧气的体积。由于需要人手控制量气管液面和水准瓶液面保持一致，易出现不等压的情况，导致观察体积变化读数误差较大。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，结构简单的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置。本发明能测定过氧化氢催化分解的反应速率常数和半衰期。
本发明的另一目的在于提供一种实验操作更简单，实验数据更准确的测定过氧化氢催化分解反应速率的方法。
本发明的技术方案是：本发明的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，包括有气压计、橡皮塞、反应器、磁力搅拌器，其中气压计、反应器的瓶口装设有橡皮塞，气压计的进气口通过连接管插入橡皮塞所设的通孔与反应器相通，反应器中加入搅拌子，反应器置于磁力搅拌器内。
上述气压计的进气口通过橡胶管插入橡皮塞所设的通孔与反应器相通。
上述反应器为锥形瓶。
本发明测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，包括有如下步骤：
1）记录反应前气压计的读数P；
2）用移液管取4ml水+2mlH2O2+2mlKI于反应器中，加入搅拌子，塞紧橡皮塞；
3）低速开启磁力搅拌器，再把反应器置于磁力搅拌器上，迅速按下秒表；
4）在20到60秒内任选一个时间间隔,每过一个时间间隔，记录时间t和相应时间下的气压计的读数P1，P2，P3；
5）列出t，Pt，P∞-Pt，ln（P∞-Pt）；t为时间间隔,Pt为相应时间下的气压计读数,P∞为H2O2全部分解气压的增加量；
6）以ln（P∞-Pt）对t作图，求出直线斜率；
7）计算出反应速率系数k1和半衰期t1/2。
本发明针对现有的测定过氧化氢催化分解的反应速率及半衰期的实验装置普遍使用等压法，造成实验过程中，操作繁琐，无法进行数据的准确测量的问题。本发明为了克服这一现象，对实验装置进行了改进，保持体积不变的条件下，即为等体积法，用测量反应所产生的压强随时间的变化的关系对实验装置进行了改进，所得到的数据更准确。改进的实验装置可避免过多的人手操作，无需控制水准瓶与量气管的液面保持水平，甚至可去掉水准瓶与量气管。对比等压法，由于测量气体压强的仪器的灵敏度高，观察读数误差较等压法小。装置简单易得，记录数据容易，等体积法简化了实验装置和操作步骤，使操作更简单。气压计与计算机联机,还可以实现数据的自动记录和处理。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例的t-ln（P∞-Pt）图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1所示，本发明的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，包括有气压计1、橡皮塞2、反应器3、磁力搅拌器4，其中气压计1、反应器3的瓶口装设有橡皮塞2，气压计1的进气口通过连接管插入橡皮塞2所设的通孔与反应器3相通，反应器3中加入搅拌子，反应器3置于磁力搅拌器4内。
本实施例中，上述气压计1的进气口通过橡胶管插入橡皮塞2所设的通孔与反应器3相通。
本实施例中，上述反应器3为锥形瓶。
本发明测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，包括有如下步骤：
1）记录反应前气压计1的读数P；
2）用移液管取4ml水+2mlH2O2+2mlKI于反应器3中，加入搅拌子，塞紧橡皮塞2；
3）低速开启搅拌器4，再把反应器3置于搅拌器4上，迅速按下秒表；
4）取30s为时间间隔，每过30s，记录时间t和气压计1的读数P1，P2，P3；
5）列出t，Pt，P∞-Pt，ln（P∞-Pt）；
6）以ln（P∞-Pt）对t作图，求出直线斜率；
8）计算出反应速率系数k1和半衰期t1/2。
本实施例中，本发明由反应器和气压计直接相连组成。实验过程中直接测量反应产生气体所产生的气压，利用所产生气压与反应物浓度的关系计算出反应的速率常数及半衰期。
本发明的工作原理如下：
常温下过氧化氢的分解反应进行得很慢，反应的化学计量式为：
H2O2→H2O+1/2O2
加入电解银,二氧化锰，碘化钾或三氯化铁等催化剂则能促进其分解，加快反应速率。H2O2在KI作用下的催化分解按下列步骤进行：
H2O2+KI→KIO+H2O(慢）（1）
KIO→KI+1/2O2(快）（2）
由于反应（1）的速率较反应（2）的慢得多，故总的反应速率由反应（1）控制，则H2O2分解反应的速率方程为：
-d[H2O2]/dt=k[KI][H2O2]
-d[H2O2]/dt=k[H2O2]
积分得：
lncA/cAo=-k1t
cA→H2O2初始浓度
cAo→t时刻H2O2浓度
反应中生成O2，定温定容下，气压的增长反映了H2O2的分解速率，气压越大，分解掉的H2O2越多
cA∝P∞-PtcAo∝P∞
P∞→H2O2全部分解气压的增加量
Pt→反应的t时刻气压的增加量
lncA/cAo=ln（P∞-Pt/P∞）=-k1t→ln（P∞-Pt）=-k1t+lnP∞（3）
由ln（P∞-Pt）对t作图得一直线，斜率为k1
P∞由下列方法求：
（1）滴定
2MnO4 -+5H2O2+6H+→2MnO4 -+5O2+8H2O
2mol5mol
cV1cAoV2
5cV1=2cA0V2cA0=5cV1/2V2nH2O2=cA0VH2O2
c→KMnO4浓度
V1→消耗KMnO4体积
V2→滴定所取H2O2体积
VH2O2→反应所取H2O2的体积
（2）H2O2→H2O+1/2O2算出H2O2全部分解产生的O2的物质的量。
（3）P∞V容=nO2RT求出P∞，T为室温，V容为反应容器容积。
Pt由改进的实验装置测得：
取定量的溶液于反应器中，加入搅拌子，取一定长的橡皮管直接连通反应器与气压计，记录下气压计在未开启搅拌器前的示数，记下温度。低速开启搅拌器，可观察到气压计示数在上升增大，表明氧气的产生，30s后记下第一个数据，以后每过30s记下气压计的示数。因为气压计的灵敏，对反应器内产生气体较好的监测，得出的结果相比等压法误差较小。同时对比现有物理化学实验所使用的装置，去掉了水准瓶以及量气管，避免了为保持同一液面而产生的误差。记录数据容易且准确，装置简单易组装，只有反应器，以及一个气压计可完成实验，达到测出过氧化氢催化分解的反应速率以及半衰期的目的。
本发明的实施例：
室温T：27.6℃，
4mL水+2mL过氧化氢+2mL碘化钾
| t/s | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 |
| Pt/kPa | 0.406 | 0.555 | 0.732 | 0.905 | 1.086 |
| P∞-Pt/kPa | 37.594 | 3.445 | 37.268 | 37.095 | 36.914 |
| ln （P∞-Pt） | 3.627 | 3.623 | 3.618 | 3.613 | 3.608 |
| t/s | 180 | 210 | 240 | 270 | 300 |
| Pt/kPa | 1.265 | 1.441 | 1.616 | 1.779 | 1.983 |
| P∞-Pt/kPa | 36.735 | 36.559 | 36.384 | 36.221 | 36.017 |
| ln （P∞-Pt） | 3.603 | 3.598 | 3.594 | 3.590 | 3.584 |
| t/s | 330 | 360 | 390 | 420 | 450 |
| Pt/kPa | 2.126 | 2.234 | 2.443 | 2.595 | 2.738 |
| P∞-Pt/kPa | 35.874 | 35.766 | 35.557 | 35.405 | 35.262 |
| ln （P∞-Pt） | 3.580 | 3.577 | 3.571 | 3.567 | 3.563 |
| t/s | 480 | 510 | 540 | 570 | 600 |
| Pt/kPa | 2.897 | 3.042 | 3.186 | 3.316 | 3.451 |
| P∞-Pt/kPa | 35.103 | 34.959 | 34.814 | 34.684 | 34.549 |
| ln （P∞-Pt） | 3.558 | 3.554 | 3.550 | 3.546 | 3.540 |
数据分析如下：
反应速率k1=2.000*10-4s-1
半衰期t=0.693/k=3.465*103s。
Claims (3)
1.一种测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，所述测定方法所用的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置包括有气压计（1）、橡皮塞（2）、反应器（3）、磁力搅拌器（4），其中气压计（1）、反应器（3）的瓶口装设有橡皮塞（2），气压计（1）的进气口通过连接管插入橡皮塞（2）所设的通孔与反应器（3）相通，反应器（3）中加入搅拌子，反应器（3）置于磁力搅拌器（4）内,其特征在于测定过氧化氢催化分解反应速率的方法包括有如下步骤：
1）记录反应前气压计（1）的读数P；
2）用移液管取4ml水+2mlH2O2+2mlKI于反应器（3）中，加入搅拌子，塞紧橡皮塞（2）；
3）低速开启磁力搅拌器（4），再把反应器（3）置于磁力搅拌器（4）上，迅速按下秒表；
4）在20到60秒内任选一个时间间隔,每过一个时间间隔，记录时间t和相应时间下的气压计（1）的读数P1，P2，P3；
5）列出t，Pt，P∞-Pt，ln（P∞-Pt）；t为时间间隔,Pt为相应时间下的气压计读数,P∞为H2O2全部分解气压的增加量；
6）以ln（P∞-Pt）对t作图，求出直线斜率；
7）计算出反应速率系数k1和半衰期t1/2。
2.根据权利要求1所述的测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，其特征在于上述气压计（1）的进气口通过橡胶管插入橡皮塞（2）所设的通孔与反应器（3）相通。
3.根据权利要求1所述的测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，其特征在于上述反应器（3）为锥形瓶。
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| 精密微压差计算机数据采集系统测定过氧化氢分解反应速度常数;李将渊等;《四川师范学院学报（自然科学版）》;20020630;第23卷(第2期);第206至209页 * |
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