温度依赖性

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

1. 过氧化氢的温度依赖性分解展开

   建议学生两人一组进行本实验。仪器控制方式可能有所不同。

   在本实验中，你将进行一种分解反应，即单一化合物分解为两种或多种更简单的产物。你将观察过氧化氢分解为水和氧气的过程。该分解反应进行得非常缓慢，因此你将使用硝酸铁（III）作为催化剂以降低活化能。

   在此过程中，铁会发生氧化还原反应，随后恢复至初始的氧化态。你可以在反应过程中通过溶液的颜色变化观察到这一现象。你将在四种不同温度下重复该反应，并通过记录烧瓶内的压力变化来追踪反应速率。这样即可测量每次实验中氧气的生成速度，并利用这些数据计算反应的活化能。

   表1. 估算过氧化氢分解的表观活化能

   试验编号	温度 (℃)	ΔP (kPa/s)	1/T	ln (ΔP)
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   点击此处下载表1

   • 开始实验前，请穿上实验服，戴上护目镜和腈手套。
   • 确保加热板已关闭，然后将一个600 mL烧杯放置在加热板上。
   • 将真空管连接到125 mL布氏漏斗烧瓶的支管上，并小心地用夹子将烧瓶固定在600 mL烧杯中，使支管略高于烧杯顶部。
   • 取一个400 mL烧杯装入去离子水，并将水倒入600 mL烧杯中，使液面低于支管约2–3 cm。
     注意：确保水不会进入烧瓶或真空管路。
   • 将温度计浸入水中，并用夹子固定，使其末端接触烧瓶外壁。确保你能读取当前温度以及40、60和80 °C的刻度。
   • 确保双孔适配器的每个孔都装有锥形锁紧接头。检查所有接头是否牢固，因为任何从接头处泄漏的空气都会影响你的数据。
   • 将一个二通旋塞锁入其中一个塞子接头中，然后将一段软管的一端锁入第二个接头，另一端连接至气体压力传感器的接口。
   • 打开气体压力传感器的数据采集设备，并确保压力以kPa为单位显示。
   • 将采样速率设置为每秒2个样本，持续时间为300秒，然后实时显示压力变化。
   • 将一个400 mL烧杯标记为“废液”，一个50 mL烧杯标记为“0.5 M Fe(NO₃)₃”，一个100 mL烧杯标记为“3% w/w 过氧化氢”。
   • 在工作台面上铺几张纸巾，作为可重复使用的玻璃器皿的清洁区域。准备一些备用纸巾以供后续使用。
   • 然后，将50 mL和100 mL烧杯带到储备溶液区。在50 mL烧杯中倒入约30 mL的0.5 M Fe(NO₃)₃溶液，在100 mL烧杯中倒入100 mL的3% w/w过氧化氢溶液。
   • 回到实验台后，准备一支20 mL的移液管，用3% w/w过氧化氢溶液加至刻度线。将过氧化氢溶液排入滤瓶中，然后将移液管放置一旁。
   • 根据需要调整温度计位置，使其接触液面以下的烧瓶外壁。
   • 将橡胶塞小心地塞入滤瓶口，注意不要松动与传感器和二通旋塞的连接。
   • 检查二通旋塞是否关闭。打开真空管路，监测压力下降情况。这将使塞子密封在烧瓶中。当压力降至10 kPa时，关闭真空。
   • 至少监测压力1分钟，以确认无缓慢泄漏。
     注意：如果压力立即开始迅速上升，则说明装置存在泄漏，需拧紧连接处并重新尝试，直至关闭真空管路后压力能稳定在10 kPa。
   • 用20 mL注射器吸取5 mL的0.5 M Fe(NO₃)₃溶液。排出注射器内所有空气，确保其中仅含有溶液。
   • 将注射器锁入二通旋塞顶部。现在你已准备好开始室温试验，请在实验记录本上记录水温。
   • 开始采集气体压力数据。让设备记录约15秒后，打开旋塞，待所有Fe(NO₃)₃溶液进入烧瓶后迅速关闭旋塞。观察到的压力上升是由于过氧化氢分解产生的氧气释放所致。
   • 数据采集完成后，保存数据。然后断开注射器，打开旋塞释放烧瓶内压力。
   • 取出橡胶塞，小心地从夹子上取下温度计，将烧瓶从烧杯中取出，并断开滤瓶上的真空管。
   • 将烧瓶内容物倒入废液烧杯中。尽量避免液体进入支管。用纸巾擦干烧瓶外壁。
   • 用去离子水冲洗烧瓶内部，并将冲洗液倒入废液烧杯中。如有液体进入支管，用纸巾吸出。
   • 重新将烧瓶连接至真空管路，并用夹子固定在600 mL烧杯中，使其与温度计接触。
   • 打开加热板，加热烧瓶周围的水，直至温度计显示80 °C，然后关闭加热。
   • 向烧瓶中加入20 mL的3% w/w过氧化氢溶液。
   • 用纸巾擦干橡胶塞。每次试验后都应执行此操作，以确保橡胶塞能紧密地塞入烧瓶口，并将塞子塞入烧瓶。
   • 检查旋塞是否关闭，并将烧瓶抽真空至约10 kPa。然后关闭真空，确认无泄漏。
   • 用注射器吸取5 mL Fe(NO₃)₃溶液，排出注射器内空气，并将其连接至旋塞。
   • 在实验记录本上记录温度计显示的温度，然后开始采集数据。
   • 等待约15秒后，以与之前相同的方式引入Fe(NO₃)₃溶液。
     注意：当压力接近150 kPa时，塞子可能会弹出！
   • 数据采集完成后，保存数据，释放压力并清洗滤瓶，准备进行第三次试验。
   • 在400 mL烧杯中装入冰块，并加入部分冰块以将水温冷却至约60 °C。
   • 以与之前相同的方式进行第三次试验。记得每次试验前擦干橡胶塞和烧瓶内部，并记录温度。
   • 完成该次试验的数据采集后，将水温冷却至约40 °C，并进行第四次试验。
   • 完成全部四次试验后，将滤瓶清空，并最后一次用去离子水冲洗至废液烧杯中。
   • 将多余的0.5 M Fe(NO₃)₃溶液和废液烧杯中的内容物倒入标有“含铁废液”的容器中处理。
   • 然后拆卸装置，将剩余的冰、水和过氧化氢倒入水槽。按照实验室的标准规程清洗玻璃器皿。
2. 结果展开

   铁催化下过氧化氢的分解是一个复杂的多步过程，无法用单一化学方程式简单描述。然而，我们可以通过氧气生成速率估算该反应的表观活化能，并与未催化过程的表观活化能进行比较。

   • 确定压力变化速率，该速率与氧气生成速率成正比。对每次实验，绘制压力随时间变化的曲线，并确定反应起始点。
   • 识别达到的最大压力，并确定两点之间的斜率。
   • 在确定所有实验的斜率及其对应开尔文温度后，利用阿伦尼乌斯方程估算该反应的表观活化能。
   • 取开尔文温度的倒数以及压力变化速率的自然对数。注意，速率常数k本质上等于压力变化量。
   • 绘制阿伦尼乌斯图，并求出直线的斜率。
   • 斜率等于负的活化能除以通用气体常数，因此将斜率乘以负的通用气体常数即可得到铁催化分解反应的表观活化能。你会得到一个约35–60 kJ/mol的数值，因为铁催化剂降低了分解所需的能量。未催化的过氧化氢分解反应的表观活化能约为78–88 kJ/mol。