Why is iron (III) nitrate used as a catalyst in the hydrogen peroxide decomposition experiment?

Iron (III) nitrate lowers the activation energy of the decomposition reaction, allowing hydrogen peroxide to break down into water and oxygen much faster than it would naturally. The iron undergoes a redox reaction during the process and returns to its original oxidation state, which you can observe as a color change in the solution.

How does temperature affect the rate of hydrogen peroxide decomposition?

Higher temperatures increase the reaction rate, producing oxygen gas more quickly. By performing the decomposition at four different temperatures and measuring pressure changes, you can quantify this relationship and calculate the apparent activation energy using the Arrhenius equation to determine how temperature influences reaction kinetics.

What does the pressure change inside the flask indicate during the experiment?

The pressure increase is directly proportional to the rate of oxygen production from hydrogen peroxide decomposition. By recording pressure changes over time using a gas pressure sensor, you can determine the reaction rate at each temperature and track how quickly the decomposition occurs.

How do you calculate apparent activation energy from experimental data?

Plot the natural log of the pressure change rate against the reciprocal of absolute temperature to create an Arrhenius plot. The slope of this line equals negative activation energy divided by the universal gas constant. Multiply the slope by the negative gas constant to obtain the apparent activation energy value.

Why is it important to evacuate the flask to 10 kPa before each trial?

Evacuating the flask removes air and creates a sealed system where pressure changes accurately reflect only the oxygen produced from the reaction. This ensures that your pressure measurements are reliable and not affected by atmospheric air or leaks in the apparatus.

What is the expected range for the apparent activation energy of the catalyzed decomposition?

The iron-catalyzed decomposition of hydrogen peroxide yields an apparent activation energy between 35 and 60 kJ/mol, significantly lower than the uncatalyzed reaction at 78–88 kJ/mol. This difference demonstrates how effectively the iron catalyst reduces the energy barrier for the reaction.

الاعتماد على درجة الحرارة

المفاهيم تحضير المدرّس بروتوكول الطالب

0 مشاهدات03:17 د

يسمى مقياس سرعة استمرار التفاعل بمعدل التفاعل. يتم تحديد معدل التفاعل الكيميائي من خلال قانون المعدل ، الذي يصف العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيزات المادة المتفاعلة. في هذه المعادلة، k هو ثابت المعدل، A وB هما المتفاعلان، و m وn هما ترتيب تفاعل كل منهما.

يحول ثابت المعدل العلاقة إلى وحدات المعدل المناسبة ، المولات لكل لتر في الثانية. وبالتالي ، فإن ثابت المعدل له وحدات مختلفة ، اعتمادا على الترتيب الكلي للتفاعل. ومع ذلك ، فإن ثابت المعدل له أهمية أكبر من مجرد تحويل الوحدة. يرتبط ثابت المعدل بالحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لحدوث تفاعل كيميائي - يسمى طاقة التنشيط.

في التفاعل ، تكون المواد المتفاعلة في حالة أولية من الطاقة الكامنة. مع استمرار التفاعل ، يجب أن يتغلب على طاقة كامنة معينة ، طاقة التنشيط ، قبل أن يصل إلى حالته النهائية. الطاقة الكلية للتفاعل هي الفرق بين الحالتين الأولية والنهائية. يمكن أن يكون هذا الاختلاف سالبا ، مما يعني أن التفاعل يطلق طاقة ، أو إيجابيا ، مما يعني أنه يمتص الطاقة.

إذا لم تكن هناك طاقة كافية متاحة للتغلب على طاقة التنشيط ، فلن يستمر التفاعل. في بعض الحالات ، يمكن توفير الطاقة على شكل حرارة. يوفر هذا طاقة إضافية للتغلب على حاجز التنشيط ، ويمكن أن يستمر التفاعل. يمكن أيضا إضافة محفز ، والذي يوفر مسارا بديلا للطاقة أقل تنشيطا بين المواد المتفاعلة والمنتجات.

لا تستهلك المحفزات في التفاعل ، وبالتالي لا تؤثر على صافي طاقة التفاعل. يتم تحديد طاقة التنشيط تجريبيا ، وهي مرتبطة بثابت التفاعل k بواسطة معادلة Arrhenius حيث A هو عامل ما قبل الأسي أو عامل التردد ، و R هو ثابت الغاز العالمي ، و T هي درجة الحرارة المطلقة التي يحدث عندها التفاعل.

من هذه المعادلة، نعلم أن زيادة درجة حرارة التفاعل أو تقليل طاقة التنشيط يزيد من ثابت المعدل. بالعودة إلى معادلة قانون المعدل ، يترتب على ذلك أن ثابت المعدل الأعلى ينتج عنه معدل تفاعل أعلى. هذا منطقي لأنه مع زيادة درجة الحرارة ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتتصادم بشكل متكرر ، مما يؤدي إلى زيادة جزء من الجزيئات ذات الطاقة الأعلى من طاقة التنشيط.

في هذا المختبر ، سوف تتعلم كيفية قياس طاقة تنشيط التفاعل تجريبيا باستخدام تحلل بيروكسيد الهيدروجين كتفاعل نموذجي.

Print Procedure Steps

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المصدر: سماء كريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية

التحلل المعتمد على درجة الحرارة لبيروكسيد الهيدروجين< فئة الزر ="توسيع">توسيع
نقترح أن يعمل الطلاب في أزواج لهذه التجربة. قد تختلف عناصر التحكم في المعدات.

في هذا المختبر ، ستقوم بإجراء تفاعل تحلل حيث ينقسم مركب واحد إلى منتجين أبسط أو أكثر. سوف تلاحظ تحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين. يحدث هذا التحلل ببطء شديد ، لذلك ستستخدم نترات الحديد (III) كمحفز لخفض طاقة التنشيط.

خلال هذه العملية ، يخضع الحديد لتفاعل الأكسدة والاختزال ثم يعود إلى حالة الأكسدة البدائية. ستتمكن من رؤية هذا على أنه تغيير في اللون في المحلول أثناء التفاعل. ستقوم بإجراء نفس التفاعل عند أربع درجات حرارة مختلفة وتتبع معدل التفاعل عن طريق تسجيل الضغط داخل القارورة. بهذه الطريقة يمكنك قياس مدى سرعة إنتاج الأكسجين في كل تجربة. ستستخدم هذا لحساب طاقة تنشيط التفاعل.

الجدول 1. تقدير طاقة التنشيط الظاهرة لإزالة سماد بيروكسيد الهيدروجين
محاكمة درجة الحرارة (درجة مئوية) ΔP (كيلو باسكال / ثانية) 1 / طن ln (ΔP) 1 2 3 4
انقر هنا لتنزيل الجدول 1
- قبل البدء في هذه التجربة ، ارتد معطف المختبر ونظارات السلامة وقفازات النتريل.
- تأكد من إيقاف تشغيل اللوحة الساخنة ثم ضع دورق سعة 600 مل على اللوحة الساخنة.
- قم بتوصيل أنبوب التفريغ بالسلاح الجانبي الشائك لقارورة مرشح Büchner سعة 125 مل ، وقم بتثبيت قارورة المرشح بعناية في دورق 600 مل بحيث يكون السلاح الجانبي فوق الجزء العلوي من الدورق مباشرة.
- املأ دورق سعة 400 مل بالماء منزوع الأيونات ، واسكب الماء في دورق سعة 600 مل حتى يصبح مستوى الماء حوالي 2-3 سم تحت الذراع الجانبي.
  ملاحظة: تأكد من أن الماء غير قادر على الدخول إلى القارورة أو خط التفريغ.
- اغمر مقياس الحرارة في الماء ، وقم بتثبيته في مكانه بحيث تكون النهاية ملامسة للجدار الخارجي للقارورة. تأكد من أنه يمكنك قراءة درجة الحرارة الحالية ، بالإضافة إلى علامات 40 و 60 و 80 درجة مئوية.
- تأكد من أن كل ثقب في المحول ذو الفتحتين مزود بمحول قفل مدبب. تأكد من أن جميع المحولات مثبتة بإحكام ، لأن أي هواء يهرب حولها سيؤثر على بياناتك.
- قم بقفل محبس ثنائي الاتجاه في أحد محولات السدادة. بعد ذلك ، قم بقفل أحد طرفي الأنبوب المرن في المحول الثاني مع الطرف الآخر في موصل مستشعر ضغط الغاز.
- قم بتشغيل جهاز الحصول على البيانات لمستشعر ضغط الغاز وتأكد من عرض الضغط بالكيلو باسكال.
- اضبط معدل الاستحواذ على عينتين في الثانية والمدة على 300 ثانية. ثم اعرض الضغط في الوقت الفعلي.
- قم بتسمية دورق سعة 400 مل على أنه "نفايات" ، ودورق سعة 50 مل على أنه "0.5 M Fe (NO₃) ₃" ، ودورق 100 مل على أنه "3٪ وزن / وزن بيروكسيد الهيدروجين".
- ضع بعض المناشف الورقية على سطح العمل كمنطقة نظيفة للأواني الزجاجية التي ستعيد استخدامها. احتفظ بمخزون من المناشف الورقية في متناول اليد لوقت لاحق.
- بعد ذلك ، أحضر أكواب 50 مل و 100 مل إلى منطقة محلول المخزون. صب حوالي 30 مل من 0.5 متر من الحديد (NO₃) ₃ في دورق سعة 50 مل و 100 مل من 3٪ وزن / وزن بيروكسيد الهيدروجين في دورق سعة 100 مل.
- بالعودة إلى مساحة العمل الخاصة بك، قم بإعداد ماصة حجمية سعة 20 مل واملأها بعلامة 3٪ وزن/وزن بيروكسيد الهيدروجين. قم بتوزيع بيروكسيد الهيدروجين في قارورة المرشح واترك الماصة الحجمية جانبا.
- اضبط مقياس الحرارة حسب الحاجة بحيث يلامس القارورة أسفل مستوى محلول بيروكسيد الهيدروجين.
- ضع السدادة المطاطية في فم قارورة المرشح ، مع الحرص على عدم فك التوصيلات بالمستشعر ومحبس الاتجاهين.
- تحقق من إغلاق التوقف ثنائي الاتجاه. افتح خط التفريغ وراقب الضغط عند انخفاضه. سيؤدي ذلك إلى إغلاق السدادة في القارورة. بمجرد أن يصل الضغط إلى 10 كيلو باسكال ، أغلق الفراغ.
- راقب الضغط لمدة دقيقة واحدة على الأقل للتأكد من عدم وجود تسريبات بطيئة.
  ملاحظة: إذا بدأ الضغط في الزيادة بسرعة على الفور ، فهناك تسرب في الإعداد الخاص بك ، لذا قم بإحكام ربط التوصيلات وحاول مرة أخرى حتى يستمر الضغط عند 10 كيلو باسكال عند إغلاق خط التفريغ.
- ارسم 5 مل من 0.5 M Fe (NO₃) ₃ في حقنة سعة 20 مل. طرد كل الهواء من المحقنة بحيث تحتوي على المحلول فقط.
- قفل المحقنة في الجزء العلوي من محبس ثنائي الاتجاه. أنت الآن جاهز لبدء تجربة درجة حرارة الغرفة ، لذا سجل درجة حرارة الماء في دفتر المختبر الخاص بك.
- ابدأ في الحصول على بيانات ضغط الغاز. اسمح للجهاز بتسجيل البيانات لمدة 15 ثانية تقريبا ، ثم افتح محبس وقم بإغلاقه بسرعة بمجرد دخول كل Fe (NO₃) ₃ إلى القارورة. الزيادة الملحوظة في الضغط ناتجة عن تطور غاز الأكسجين الناتج عن تحلل بيروكسيد الهيدروجين.
- بمجرد انتهاء جمع البيانات، احفظ بياناتك. ثم افصل المحقنة وافتح المحبس لتنفيس القارورة.
- أخرج السدادة المطاطية ، وقم بإزالة مقياس الحرارة بعناية من المشبك والقارورة من الدورق ، وافصل أنبوب التفريغ عن قارورة المرشح.
- أفرغ القارورة في دورق النفايات. حاول ألا تضع سائلا في الذراع الجانبية. جفف الجزء الخارجي من القارورة بالمناشف الورقية.
- اشطف الجزء الداخلي من القارورة بالماء منزوع الأيونات واسكب الشطف في دورق النفايات. إذا دخل أي سائل في الذراع الجانبية ، فقم بإزالته باستخدام مناشف ورقية.
- أعد توصيل القارورة بخط التفريغ وقم بتثبيتها في دورق 600 مل ملامسة لمقياس الحرارة.
- قم بتشغيل لوح التسخين وقم بتسخين الماء حول القارورة حتى يقرأ مقياس الحرارة 80 درجة مئوية. ثم أطفئ النار.
- ثم أضف 20 مل من 3٪ وزن / وزن بيروكسيد الهيدروجين إلى القارورة.
- جفف السدادة بالمناشف الورقية. افعل ذلك بعد كل تجربة للتأكد من أن السدادة لها ملاءمة مريحة في عنق الدورق وتناسب السدادة في القارورة.
- تحقق من إغلاق المحبس وإخلاء القارورة إلى حوالي 10 كيلو باسكال. ثم أغلق المكنسة الكهربائية وتأكد من عدم وجود تسريبات.
- ارسم محلول 5 مل من الحديد (NO₃) ₃ في المحقنة ، وطرد الهواء من المحقنة ، وقم بتوصيله بالمحبس.
- سجل درجة الحرارة الموضحة على مقياس الحرارة في دفتر المختبر، ثم ابدأ في جمع البيانات.
- انتظر حوالي 15 ثانية وقدم حل Fe(NO₃)₃ بنفس الطريقة السابقة.
  ملاحظه: عندما يقترب الضغط من 150 كيلو باسكال ، قد تنفجر السدادة!
- بعد انتهاء جمع البيانات، احفظ البيانات وقم بتنفيس قارورة المرشح وتنظيفها، وقم بالإعداد للتجربة الثالثة.
- املأ الدورق سعة 400 مل بالثلج وأضف القليل منه لتبريد الماء إلى حوالي 60 درجة مئوية.
- قم بإجراء الإصدار التجريبي الثالث بنفس الطريقة السابقة. تذكر تجفيف السدادة وداخل القارورة وتسجيل درجة الحرارة قبل جمع البيانات.
- بعد جمع البيانات لتلك التجربة ، قم بتبريد الماء إلى حوالي 40 درجة مئوية وقم بإجراء التجربة الرابعة.
- بمجرد الانتهاء من جميع التجارب الأربع ، أفرغ قارورة الفلتر واشطفها في دورق النفايات مرة أخيرة.
- تخلص من أي فائض من 0.5 متر من الحديد (NO₃) ₃ ومحتويات دورق النفايات في حاوية تحمل علامة على نفايات الحديد المائية.
- بعد ذلك ، قم بتفكيك الجهاز وصب بقايا الثلج والماء وبيروكسيد الهيدروجين في الحوض. اغسل الأواني الزجاجية باتباع البروتوكول القياسي لمختبرك.
Results
تحلل بيروكسيد الهيدروجين بالحديد عملية معقدة ومتعددة الخطوات لا يمكننا وصفها بسهولة في معادلة واحدة. ومع ذلك ، يمكننا تقدير طاقة التنشيط الظاهرة من معدل إنتاج الأكسجين ومقارنتها بطاقة التنشيط الظاهرة للعملية غير المحفزة.
- أوجد معدل تغير الضغط ، والذي يتناسب طرديا مع معدل إنتاج الأكسجين. لكل تجربة ، قم بعمل مخطط ضغط فيما يتعلق بالوقت وابحث عن النقطة التي بدأ فيها التفاعل.
- حدد الحد الأقصى للضغط الذي تم الوصول إليه وحدد المنحدر بين النقطتين.
- بمجرد تحديد المنحدرات ودرجات الحرارة المقابلة في كلفن لجميع درجات الحرارة، استخدم معادلة أرهينيوس لتقدير طاقة التنشيط الظاهرة لهذا التفاعل.
- خذ مقلوب درجات الحرارة في كلفن والسجل الطبيعي لمعدل التغير في الضغط. تذكر أن ثابت المعدل k يساوي أساسا التغير في الضغط.
- قم بعمل مخطط Arrhenius وابحث عن منحدر الخط.
- المنحدر يساوي طاقة التنشيط السالبة على ثابت الغاز العالمي ، لذا اضرب المنحدر في ثابت الغاز العالمي السالب للحصول على طاقة التنشيط الظاهرة لتفاعل التحلل المحفز بالحديد. سترى قيمة في حدود 35-60 كيلو جول / مول لأن محفز الحديد جعل التحلل يستهلك طاقة أقل. تبلغ طاقة التنشيط الظاهرة للتحلل غير المحلل لبيروكسيد الهيدروجين حوالي 78-88 كيلو جول / مول.