CN104155208A - 一种测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法 - Google Patents

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反应速率的装置，本发明的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，包括有搅拌器、反应器、进气阀、皂泡量气管，其中反应器中加入搅拌子，反应器置于搅拌器内，反应器的瓶口塞有一个橡胶塞，皂泡量气管通过进气阀与反应器相通。本发明测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，设计巧妙，方便实用，能够测定过氧化氢催化分解的反应速率常数和半衰期。本发明测定过氧化氢催化分解的反应速率的方法，克服了一般的水准瓶量气法中需人手操作水准瓶带来的实验误差较大和繁琐的这一缺陷，同时能够很好地把握过氧化氢催化反应的起点，简单方便，重复性强，获得的数据的准确性更好。

Description

一种测定过氧化氢催化分解反应速率的装置及方法

技术领域

本发明是一种根据皂泡量气法测定过氧化氢催化分解反应速率而设计的装置及方法，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，都是使用排水法量气法测量反应中产生的气体体积，即为反应产生气压和大气压相等的条件下，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的出反应速率常数。如文献“物理化学实验，潘湛昌,化学工业出版社，2008年7月”中讲述到的，为了测出随时间变化的反应产生的氧气体积，则要求人用手上下举动水准瓶以平衡内外压力来测量生成的氧气的实验装置，装置要求测量时水准瓶的液面与量气管液面保持同一水平，而且要在生成等体积的氧气的时候读取反应时间。由于需要人手控制量气管液面与水准瓶液面保持一致，易出现内外不等压的情况，导致观察体积变化误差较大。另外，原水准瓶量气法由于是先加入一定量的过氧化氢和催化剂后再组装好装置，然后才开始测量气体体积，这个过程中其实过氧化氢已经发生催化分解反应，因此会导致对反应起始点的误判。

有部分文献通过改变测量的方法来提高准确性，如专利号CN 103499513A说到的一种新型的过氧化氢催化分解的装置和方法，这种方法利用精密的数字压力计的简单组装来测定过氧化氢催化分解得出的氧气的压强，这种方法虽然能够提高测量的准确性，但是所用的器材较贵，不适宜推广和普及。

有文献也使用了生成皂泡的方法来测定过氧化氢分解反应的速率，在文献“‘不同催化剂对过氧化氢分解反应速率影响’实验装置设计与探究，沧州师范专科学校学报，2008年9月，第24卷第3期”中，讲述到利用玻璃量气管和皂泡上升的方法来测定过氧化氢的催化分解速率，这种装置无法准确地测定出过氧化氢催化分解反应的速率常数，只能得出过氧化氢的平均分解速度，对于实验的起点把握不准。在文献“基础化学实验教程，古凤才，肖衍繁，北京科学出版社,2000年”中说到的测定过氧化氢催化分解速率的装置，这种装置虽然也是使用了皂泡法来测定生成的氧气的体积，但是它使用了先加入催化剂再反应的测量方法，这样已经在测定第一个数据的时候，已经有了部分的氧气分解逸散掉了，必定会影响实验的准确性；另外这个装置使用了橡皮打气球，会使得皂泡的初始位置较高，还有使用了量程较小的皂泡流量计，这样的装置会使得能够被测定的数据减少，影响实验的准确性。

有部分文献通过改进装置来提高水准瓶量气法的准确性在文献“对H₂O₂催化分解反应实验的改进，杨敏，大学化学，2003年12月，第18卷，第6期”讲述的测定过氧化氢催化分解的新型实验装置，该装置虽然使用了注射法来把反应物注射到反应器中，但是所使用的量气方法仍是误差较大、难以简单操作的水准瓶量气法。在文献“过氧化氢催化分解实验的改进，赵二劳，甘肃联合大学学报(自然科学版)，2008年3月，第22卷第2期”讲述到的测定过氧化氢催化分解的新型实验装置，使用了精密数字压力计来检验上下举动水准瓶的时候，反应器内外压力是否相等，这样的装置虽然提高了准确性，但是人为操作所产生的误差还是较大。

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，且能提高测定准确性的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置。本发明能够比较方便而且准确地测定出过氧化氢的反应速率常数和半衰期。

本发明的另一目的在于能够在较低的实验成本的前提下，提高测定过氧化氢分解速率准确性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，包括有搅拌器、反应器、进气阀、皂泡量气管，其中反应器中加入搅拌子，反应器置于搅拌器内，反应器的瓶口塞有一个橡胶塞，皂泡量气管通过进气阀与反应器相通。

上述搅拌器是磁力搅拌器。

上述进气阀是三通阀。

上述反应器包括有瓶体及塞在瓶口中的橡胶塞，其中橡胶塞中插有一个注射器针头和一截L型玻璃连接管，L型玻璃连接管的一端插入反应器的中空腔体内，L型玻璃连接管的另一端通过进气阀与皂泡量气管相通。

上述皂泡量气管包括有T型玻璃连接管及碱式滴定管，碱式滴定管与T型玻璃连接管之间用橡胶管连接。

上述反应器的瓶体为锥形瓶。

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)正确组装好装置，检验装置的气密性并用肥皂水润洗碱式滴定管3～4次；

2)打开进气阀，连通大气，用医用注射器吸取碘化钾溶液，用移液管往反应器的锥形瓶里加入过氧化氢和水，组装好装置；

3)挤压胶头，用注射器吹出一个低位置的肥皂泡，关闭进气阀；

4)开动搅拌器，待转子运行正常后，快速把医用注射器的活塞压到底，此时皂泡将上升到一个位置，记录此位置为时间起点，从此皂泡每上升一个位置，记录一次时间t，记录15～17组数据；

5)列出t，V_t，V_∞，V_∞-V_t，ln(V_∞-V_t)；V_t为体积间隔，t为生成相应的气体体积时间，V_∞为H₂O₂全部分解的时候得到的O₂体积；

6)测定H₂O₂的初浓度C_A，₀；

7)以ln(V_∞-V_t)对t作t-ln(V_∞-V_t)图，求出直线的斜率k₁

8)计算出反应速率系数k₁和半衰期t_1/2。

上述步骤2)用医用注射器吸取10ml碘化钾溶液，用移液管往锥形瓶里加入加入5ml的过氧化氢和25ml的水，组装好装置。

上述步骤3)挤压胶头，用50ml的注射器吹出一个低位置的肥皂泡。

上述步骤4)低速开动搅拌器，待转子运行正常后，马上快速地把医用注射器的活塞压到底，此时皂泡将上升到一个位置，记录此位置为时间起点，从此皂泡每上升2mL，记录一次时间t，记录15～17组数据。

本发明的有益效果是，相比现有的测定过氧化氢催化分解的反应速率及半衰期的水准瓶等压量气法实验装置，本发明采用了皂泡量气法和催化剂的快速注射法，能够大大地减少了原实验中的繁琐步骤，减小了原来由于人手操作水准瓶来读数而产生的实验误差，提高了实验的可重复性和实验数据的可信度。另外，通过催化剂的快速注射法，能够较准确地把握反应的起始点，减少了数据的误差。另外，本发明通过利用注射器来控制皂泡的发生和起始的位置，能够获得更多的实验数据，以减小实验误差。本发明所用的器材均可以在普通物理化学实验室找到并组装，不需另外购买，提高了实验的准确性同时又减少了实验成本。本发明是一种设计巧妙，方便实用，性能优良的测定过氧化氢催化分解的装置及方法。

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1的t-ln(V_∞-V_t)图；

图3为本发明实施例2的t-ln(V_∞-V_t)图；

图4为本发明实施例3的t-ln(V_∞-V_t)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，包括有搅拌器1、反应器2、进气阀3、皂泡量气管4，其中反应器2中加入搅拌子，反应器2置于搅拌器1内，反应器2的瓶口塞有一个橡胶塞，皂泡量气管4通过进气阀3与反应器2相通。

本实施例中，上述搅拌器1是磁力搅拌器。上述进气阀3是三通阀。上述反应器2的瓶体为锥形瓶。反应器2中加入搅拌子，反应器置于搅拌器4内。本发明使用针筒快速注射方式加入催化剂。

本实施例中，上述反应器2包括有瓶体及塞在瓶口中的橡胶塞，其中橡胶塞中插有一个注射器针头和一截L型玻璃连接管，L型玻璃连接管的一端插入反应器2的中空腔体内，L型玻璃连接管的另一端通过进气阀3与皂泡量气管4相通。

上述皂泡量气管4包括有T型玻璃连接管及碱式滴定管，碱式滴定管与T型玻璃连接管之间用橡胶管连接。本实施例中，皂泡量气管4为下端接一个T型玻璃连接管，T型玻璃连接管下端又接了一个胶头的碱式滴定管，上述T型玻璃连接管的上端连接去除碱式滴定管的下橡皮管和玻璃珠的长直玻璃部分，下端连接了一个胶头，而且碱式滴定管连接部分为其半径较小的下端部分。

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)检验装置的气密性并用肥皂水润洗碱式滴定管3～4次；

2)打开三通活塞3，连通大气。用医用注射器小心吸取10mLKI溶液，用移液管往锥形瓶里加入5mLH₂O₂+25mL水，小心组装好装置；

3)挤压胶头，用50ml的注射器吹出一个低位置的肥皂泡，关闭三通活塞3；

4)低速开动磁力搅拌器1，待转子运行正常后，马上快速地把医用注射器的活塞压到底，此时皂泡将上升到一个位置，记录此位置为时间起点，从此皂泡每上升2mL，记录一次时间t，记录15～17组数据；

5)列出t，V_t，V_∞，V_∞-V_t，ln(V_∞-V_t)；V_t为体积间隔，t为生成相应的气体体积时间，V_∞为H₂O₂全部分解的时候得到的O₂体积；

6)测定H₂O₂的初浓度C_A，0；

7)以ln(V_∞-V_t)对t作t-ln(V_∞-V_t)图，求出直线的斜率k₁

8)计算出反应速率系数k₁和半衰期t_1/2

本实施例中，本发明是由磁力搅拌器、反应器、三通活塞、皂泡量气管组成。实验过程中可直接测定出生成的氧气的体积，再经过气体状态方程以及所产生的气体体积与反应物浓度的关系来计算得到过氧化氢催化分解的反应速率及半衰期。

本发明的工作原理如下：

过氧化氢在没有催化剂时，分解反应进行得很慢，加入催化剂时能促进其分解。过氧化氢分解的化学计量式如下：

H₂O₂→H₂O+1/2O₂

很多物质都能对这一反应起催化作用，如铂、银、铅、二氧化锰、三氯化铁以KI等。本实验是以KI作催化剂，研究H₂O₂分解反应的动力学。

在本实验条件下，过氧化氢的分解是一级反应。若以a表示H₂O₂的起始浓度，x表示在时刻t时已经分解掉的H₂O₂的浓度，则所剩余的H₂O₂的浓度为(a-x)，于是有：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=k_1(a-x)$

积分上式：　ln(a-x)＝-k₁t+lna

式中k₁为反应速率常数，它的大小表征着反应速率的快慢。lna为积分常数，可由t＝0，x＝0这一边界条件得出。

在H₂O₂的催化分解中，t时刻H₂O₂的浓度C_t可通过测量在相应的时间内分解放出的氧气的体积得出。因分解过程中放出氧气的体积与分解了的H₂O₂的浓度成正比，其比例常数为定值。令V∞表示H₂O₂全部分解放出的氧气体积，V_t表示H₂O₂在t时刻分解放出的氧气的体积，则：

C₀∝V_∞；C_t∝(V_∞-V_t)

式中，C₀、C_t分别代表H₂O₂在t＝0和t＝t时的浓度。将上面关系式代入一级反应速率方程的定积分表达式，则有：

$\lg \frac{C_t}{C_0}=\lg \frac{V_{\∝}-V_t}{V_{\∝}}=-\frac{k_{1}t}{2.303}---\left(1\right)$

或者　lg(V_∞-V_t)＝-k₁t/2.303+lgV_∞

(2)

根据上式，如果以l_g(V_∞-V_t)对t作图得一直线，即可验证该反应是一级反应。此时由直线的斜率可求出反应速率常数k₁。

V_∞可由(3)公式算出：按H₂O₂分解反应的化学计量式，1mol H₂O₂放出1/2mol O₂。在酸性溶液中以KMnO₄标准溶液滴定H₂O₂溶液，V_∞则等于：

V_∞＝M_H2O2·V _H2O2·RT/_p　(m³)    　(3)

式中：M_H2O2——H₂O₂的起始摩尔浓度mol·L^-1；

V_H2O2　——H₂O₂溶液的体积(m³)；

p　——氧气的分压，即大气压减去实验温度下水的饱和蒸气压(Pa)；

T——实验的热力学温度(K)；

R　——气体常数，取8.314J·K^-1·mol^-1。

t由改进的实验装置测得：

先用肥皂水润洗几次皂泡量气管，利用注射器吹出一个皂泡，关闭三通活塞。取定量的过氧化氢溶液和硫酸溶液到反应器中，加入磁子。连接好反应器，打开三通活塞，低速开动磁力搅拌器，快速注射入KI催化剂。可以观察到此时的皂泡有明显的上升，记录此时的位置为初始位置并开始计时，这个时间点是过氧化氢催化分解反应的开始点。之后，按照皂泡面每上升2mL便读取一个时间值t。对比原来的物理化学实验的水准瓶量气法，皂泡量气管法灵敏，方便实验观察和记录数据同时又避免了人手操作水准瓶带来的误差。另外，通过催化剂的快速注射法，能够较准确地把握反应的起始点，减少了数据的误差。还有，通过利用注射器来控制皂泡的发生和起始的位置，能够获得更多的实验数据，以减少实验误差。最后，本实验的所用的器材均可以在物理化学实验室中找到，装置组合简单科学，完全可以达到测出过氧化氢催化分解速率以及半衰期的目的。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：

温度：18.8℃

大气压：101.85KPa

反应物：5ml过氧化氢+25ml水+10ml碘化钾

滴定H₂O₂溶液用去0.034mol/L的KMnO₄标准溶液：13.2ml

计算得到V_∞：66.88ml

计时间隔：皂泡每上升2ml

时间/s	0	132.3	220.1	304.7	390.6
						Vt/ml	0	2	4	6	8
ln(V∞-Vt)	4.201703	4.171306	4.139955	4.10759	4.074142
						时间/s	478.5	571.3	667.6	774.1	872.3
Vt/ml	10	12	14	16	18
						ln(V∞-Vt)	4.039536	4.00369	3.966511	3.927896	3.88773

分析计算得到的速率方程：y＝-0.000371 x+4.215551

速率常数：k＝3.71*10^-4s^-1

半衰期：t_1/2＝ln2/k＝1.87*10³s

实施例2：

温度：18.8℃

大气压：101.85KPa

反应物：10ml过氧化氢+20ml水+10ml碘化钾

滴定H₂O₂溶液用去0.034mol/L的KMnO₄标准溶液：13.2ml

计算得到V_∞：133.7ml

计时间隔：皂泡每上升2ml

时间/s	0	84.9	142.6	182.2	223.8
						Vt/ml	0	2	4	6	8
ln(V∞-Vt)	4.895598	4.880527	4.865224	4.849684	4.833898
						时间/s	265.7	312.3	362.5	407.2	445.2
Vt/ml	10	12	14	16	18
						ln(V∞-Vt)	4.817859	4.801559	4.784989	4.768139	4.751001

分析计算得到的速率方程：y＝-0.000337 x+4.906557

速率常数：k＝3.37*10^-4 s^-1

半衰期：t_1/2＝ln2/k＝2.06*10³s

实施例3：

温度：18.8℃

大气压：101.85KPa

反应物：5ml过氧化氢+25ml水+10ml碘化钾

滴定H₂O₂溶液用去0.034mol/L的KMnO₄标准溶液：13.2ml

计算得到V_∞：66.88ml

计时间隔：皂泡每上升3ml

时间/s	0	187.5	321.2	454.1	597.4	755.6	920
								Vt/ml	0	3	6	9	12	15	18
ln(V∞-Vt)	4.201703	4.155753	4.10759	4.056989	4.00369	3.94739	3.88773

分析计算得到的速率方程：y＝-0.000350 x+4.213307

速率常数：k＝3.50*10^-4 s^-1

半衰期：t_1/2＝ln2/k＝1.98*10³s

Claims (10)

1.一种测定过氧化氢催化分解的反应速率装置，其特征在于包括有搅拌器（1）、反应器（2）、进气阀（3）、皂泡量气管（4），其中反应器（2）中加入搅拌子，反应器（2）置于搅拌器（1）内，反应器（2）的瓶口塞有一个橡胶塞，皂泡量气管（4）通过进气阀（3）与反应器（2）相通。

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装置，其特征在于上述搅拌器（1）是磁力搅拌器。

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装置，其特征在于上述进气阀（3）是三通阀。

4.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装置，其特征在于上述反应器（2）包括有瓶体及塞在瓶口中的橡胶塞，其中橡胶塞中插有一个注射器针头和一截L型玻璃连接管， L型玻璃连接管的一端插入反应器（2）的中空腔体内，L型玻璃连接管的另一端通过进气阀（3）与皂泡量气管（4）相通。

5.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装置，其特征在于上述皂泡量气管（4）包括有T型玻璃连接管及碱式滴定管，碱式滴定管与T型玻璃连接管之间用橡胶管连接。

6.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装置，其特征在于上述反应器（2）的瓶体为锥形瓶。

7.一种测定过氧化氢催化分解反应速率的方法，其特征在于包括有如下步骤：

1） 正确组装好装置，检验装置的气密性并用肥皂水润洗碱式滴定管3～4次；

2）打开进气阀（3），连通大气，用医用注射器吸取碘化钾溶液，用移液管往反应器（2）的锥形瓶里加入过氧化氢和水，组装好装置； 

3）挤压胶头，用注射器吹出一个低位置的肥皂泡，关闭进气阀（3）；

4）开动搅拌器（1），待转子运行正常后，快速把医用注射器的活塞压到底，此时皂泡将上升到一个位置，记录此位置为时间起点，从此皂泡每上升一个位置，记录一次时间t，记录15～17组数据；

5）列出t，V_t，V_∞，V_∞-V_t，ln(V_∞-V_t)；V_t为体积间隔，t为生成相应的气体体积时间，V_∞为H₂O₂全部分解的时候得到的O₂体积；

6）测定H₂O₂的初浓度C_A，0；

7）以ln(V_∞-V_t)对t作t-ln(V_∞-V_t)图，求出直线的斜率k₁

8）计算出反应速率系数k₁ 和半衰期t_1/2。

8.根据权利要求7所述的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，其特征在于上述步骤2）用医用注射器吸取10ml碘化钾溶液，用移液管往锥形瓶里加入加入5ml的过氧化氢和25ml的水，组装好装置。

9.根据权利要求7所述的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，其特征在于上述步骤3）挤压胶头，用50ml的注射器吹出一个低位置的肥皂泡。

10.根据权利要求7所述的测定过氧化氢催化分解反应速率的装置，其特征在于上述步骤4）低速开动搅拌器（1），待转子运行正常后，马上快速地把医用注射器的活塞压到底，此时皂泡将上升到一个位置，记录此位置为时间起点，从此皂泡每上升2mL，记录一次时间t，记录15～17组数据 。