确定速率定律与反应级数

1. 准备 H₂O₂ 稀释液

1. 3% 过氧化氢储备液的浓度为 0.882 M。配制 5 种稀释液，浓度范围从 0.882 M 到 0.176 M（表 1）。这些溶液需按体积进行配制，但由于溶质浓度极低，水的体积具有加和性，因此可采用加量法配制。
2. 将溶液置于恒温水浴中，或放置在实验台面上使其达到室温平衡。该反应适宜的温度范围为 20–25 °C（293–298 K）。

表1. 所用 H₂O₂ 溶液。

2. 准备反应容器

1. 为确定反应容器的体积，将一个大试管完全注满水，然后插入一个单孔橡胶塞，直至塞紧，使水从试管侧边和顶部被挤出。
2. 取出橡胶塞，将试管中的水倒入量筒中，以测定水的精确体积。此体积即为反应容器（试管）的总体积。

3. 测量氧气释放

1. 将水更换为 50 mL 第一种过氧化氢溶液，并重新放入水浴中。待温度平衡后，加入镀铂的反应盘，并用连接气体压力传感器的塞子密封系统。这种反应盘通常用于隐形眼镜清洁系统。
2. 设置气体压力传感器以每秒采集 2 个数据点的速率采集数据，运行实验 120 秒。建议本实验使用 Vernier 气体压力传感器（GPS-BTA）。
3. 随着过氧化氢分解为氧气和水，应可观察到气泡产生。释放压力，弃去溶液，冲洗后更换为下一种过氧化氢溶液。重复气体压力测量，直至所有溶液均完成测试。

4. 数据分析

1. 将所有压力随时间变化的数据文件传输到电子表格程序中。
2. 确定初始速率——假设在实验的短时间内，过氧化氢的浓度没有发生显著变化。这些数据代表了动力学实验的初始线性区域。
   1. 通过绘制压力随时间变化的曲线，并使用斜率公式或线性回归法确定斜率。压力可采用任何常用单位进行作图。
   2. 该斜率即为初始速率，单位为压力_O2/s。
3. 确定反应级数
   1. 由于释放的 O₂ 的压力与分解的 H₂O₂ 的摩尔数成正比，因此绘制 ln(初始速率) 与 ln[H₂O₂]₀ 的关系图，所得斜率即为反应级数。过氧化氢的初始浓度 [H₂O₂]₀ 是各次实验中所使用的浓度。
      1. 速率方程为 。对该方程取自然对数（ln），可得到线性方程 ，其中斜率 m 即为反应级数。

4. 确定速率常数 k
   1. 对于每次实验，若反应速率的单位为 torr/s 等非 atm/s 的单位，需将速率 P_O2/s 转换为 atm/s。
   2. 由于气泡在水溶液中产生，需从每次实验的体系压力中减去水的蒸气压。修正后的速率仅反映由氧气释放引起的压力变化。
   3. 应用理想气体定律，将每次实验中的反应速率从 atm/s 转换为 mol/s。
      1. 将理想气体方程 PV = nRT 重排为 n = PV/RT。其中 s^-1 单位保持不变。体积等于试管总体积减去溶液体积（50 mL）。
   4. 利用配平的化学反应方程式，将每次实验中生成的氧气物质的量转换为分解的过氧化氢物质的量。
   5. 将 H₂O₂ 的物质的量除以溶液体积 0.050 L，得到每秒分解的 H₂O₂ 的摩尔浓度，即 [H₂O₂]/s。
   6. 由于本实验遵循一级反应动力学，需将每次实验的反应速率 [H₂O₂]/s 除以初始溶液浓度 [H₂O₂]₀，从而得到速率常数 k。该速率常数的计算方式会因先前确定的反应级数不同而略有差异。
   7. 由于温度保持恒定，将各次实验所得的速率常数取平均值。