Temperaturabhängigkeit

Quelle: Smaa Koraym von der Johns Hopkins University, MD, USA

1. Temperaturabhängige Zerlegung von WasserstoffperoxidExpand

   Wir empfehlen, dass die Schülerinnen und Schüler für dieses Experiment zu zweit arbeiten. Die Bedienelemente der Ausrüstung können variieren.

   In dieser Übung führen Sie eine Zersetzungsreaktion durch, bei der eine einzelne Verbindung in zwei oder mehr einfachere Produkte zerfällt. Sie werden die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff beobachten. Diese Zersetzung geschieht sehr langsam, daher werden Sie Eisen(III)-nitrat als Katalysator verwenden, um die Aktivierungsenergie zu senken.

   Während dieses Prozesses durchläuft Eisen eine Redoxreaktion und kehrt dann in seinen ursprünglichen Oxidationszustand zurück. Sie können dies als Farbänderung in Ihrer Lösung während der Reaktion sehen. Sie führen die gleiche Reaktion bei vier verschiedenen Temperaturen durch und verfolgen die Geschwindigkeit der Reaktion, indem Sie den Druck im Kolben aufzeichnen. Auf diese Weise können Sie messen, wie schnell in jedem Experiment Sauerstoff produziert wurde. Du verwendest dies, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu berechnen.

   Tabelle 1. Schätzung der scheinbaren Aktivierungsenergie für die Dekomposition von Wasserstoffperoxid

   Probephase	Temperatur (°C)	ΔP (kPa/s)	1/T	ln (ΔP)
   1
   arabische Ziffer
   3
   4

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   • Bevor Sie dieses Experiment starten, ziehen Sie einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Nitrilhandschuhe an.
   • Stellen Sie sicher, dass Ihre Heizplatte ausgeschaltet ist, und stellen Sie dann einen 600-ml-Becher auf die Heizplatte.
   • Verbinden Sie den Vakuumschlauch mit dem Widerhaken eines 125-ml-Büchner-Filterkolbens und klemmen Sie den Filterkolben vorsichtig in den 600-ml-Becher, so dass der Seitenarm knapp über der Oberseite des Bechers ist.
   • Füllen Sie ein 400-ml-Becherglas mit entionisiertem Wasser., und gießen Sie das Wasser in das 600-ml-Becherglas, bis der Wasserstand etwa 2–3 cm unter dem Seitenarm liegt.
     HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass das Wasser nicht in den Kolben oder die Vakuumleitung gelangen kann.
   • Tauchen Sie das Thermometer in das Wasser und klemmen Sie es so fest, dass das Ende mit der Außenwand des Kolbens in Kontakt ist. Stellen Sie sicher, dass Sie die aktuelle Temperatur sowie die Markierungen für 40, 60 und 80 °C ablesen können.
   • Stellen Sie sicher, dass jedes Loch des 2-Loch-Adapters mit einem konischen Verriegelungsadapter versehen ist. Vergewissern Sie sich, dass alle Adapter fest sitzen, da die um sie herum entweichende Luft Ihre Daten beeinträchtigt.
   • Verriegelt einen 2-Wege-Absperrhahn in einem der Stopper-Adapter. Verriegeln Sie dann ein Ende des flexiblen Schlauchs mit dem zweiten Adapter und das andere Ende mit dem Anschluss des Gasdrucksensors.
   • Schalten Sie das Datenerfassungsgerät für den Gasdrucksensor ein und stellen Sie sicher, dass der Druck in kPa angezeigt wird.
   • Setze die Erfassungsrate auf zwei Samples pro Sekunde und die Dauer auf 300 s. Zeigen Sie dann den Druck in Echtzeit an.
   • Kennzeichnen Sie ein 400-ml-Becherglas als 'Abfall', ein 50-ml-Becherglas als '0,5 M Fe(NO₃)₃' und ein 100-ml-Becherglas als '3 % w/w Wasserstoffperoxid'.
   • Legen Sie ein paar Papiertücher auf die Arbeitsfläche als saubere Fläche für Glaswaren, die Sie wiederverwenden werden. Halten Sie einen Vorrat an Papiertüchern für später bereit.
   • Bringen Sie dann die 50-ml- und 100-ml-Becher in den Bereich der Stammlösung. Gießen Sie etwa 30 ml 0,5 M Fe(NO₃)₃ in das 50-ml-Becherglas und 100 ml 3 Gew.-% Wasserstoffperoxid in das 100-ml-Becherglas.
   • Zurück an Ihrem Arbeitsplatz, richten Sie eine volumetrische 20-ml-Pipette ein und füllen Sie sie bis zur Markierung mit 3 Gew.-% Wasserstoffperoxid. Geben Sie das Wasserstoffperoxid in den Filterkolben und legen Sie die volumetrische Pipette beiseite.
   • Stellen Sie das Thermometer nach Bedarf so ein, dass es den Kolben unterhalb des Wasserstoffperoxid-Lösungsniveaus berührt.
   • Setzen Sie den Gummistopfen in die Öffnung des Filterkolbens ein und achten Sie darauf, die Verbindungen zum Sensor und zum 2-Wege-Absperrhahn nicht zu lösen.
   • Überprüfen Sie, ob der 2-Wege-Stopp geschlossen ist. Öffnen Sie die Vakuumleitung und überwachen Sie den Druckabfall. Dadurch wird der Stopfen im Kolben versiegelt. Sobald der Druck 10 kPa erreicht, schließen Sie das Vakuum.
   • Überwachen Sie den Druck mindestens 1 Minute lang, um sicherzustellen, dass es keine langsamen Lecks gibt.
     HINWEIS: Wenn der Druck sofort schnell ansteigt, liegt ein Leck in Ihrem Setup vor, ziehen Sie also die Anschlüsse fest und versuchen Sie es erneut, bis der Druck bei 10 kPa bleibt, wenn die Vakuumleitung geschlossen ist.
   • Ziehen Sie 5 ml 0,5 M Fe(NO₃)₃ in eine 20-ml-Spritze. Stoßen Sie die gesamte Luft aus der Spritze aus, so dass sie nur die Lösung enthält.
   • Verriegeln Sie die Spritze in der Oberseite des 2-Wege-Absperrhahns. Sie sind jetzt bereit, den Test der Raumtemperatur zu starten, also notieren Sie die Wassertemperatur in Ihrem Labornotizbuch.
   • Beginnen Sie mit der Erfassung von Gasdruckdaten. Lassen Sie das Gerät etwa 15 s lang Daten aufzeichnen, öffnen Sie dann den Absperrhahn und schließen Sie ihn schnell, sobald das gesamte Fe(NO₃)₃ in den Kolben gelangt ist. Der beobachtete Druckanstieg ist auf die Entwicklung von Sauerstoffgas zurückzuführen, das durch die Zersetzung von Wasserstoffperoxid entsteht.
   • Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, speichern Sie Ihre Daten. Trennen Sie dann die Spritze und öffnen Sie den Absperrhahn, um den Kolben zu entlüften.
   • Nehmen Sie den Gummistopfen heraus, entfernen Sie vorsichtig das Thermometer aus der Klemme und den Kolben aus dem Becherglas und trennen Sie den Vakuumschlauch vom Filterkolben.
   • Entleeren Sie den Kolben in das Abfallbecherglas. Versuchen Sie, keine Flüssigkeit in den Seitenarm zu bekommen. Trocknen Sie die Außenseite des Kolbens mit Küchenpapier ab.
   • Spülen Sie das Innere des Kolbens mit entionisiertem Wasser und gießen Sie die Spülung in das Abfallbecherglas. Wenn Flüssigkeit in den Seitenarm gelangt, entfernen Sie sie mit Küchenpapier.
   • Schließen Sie den Kolben wieder an die Vakuumleitung an und klemmen Sie ihn in das 600-ml-Becherglas, das mit dem Thermometer in Kontakt kommt.
   • Schalten Sie die Kochplatte ein und erhitzen Sie das Wasser um den Kolben herum, bis das Thermometer 80 °C anzeigt. Schalten Sie dann die Hitze aus.
   • Geben Sie dann 20 mL 3 Gew.-% Wasserstoffperoxid in den Kolben.
   • Trocknen Sie den Stopper mit Papiertüchern. Tun Sie dies nach jedem Versuch, um sicherzustellen, dass der Stopfen fest im Becherhals sitzt und der Stopfen in den Kolben passt.
   • Überprüfen Sie, ob der Absperrhahn geschlossen ist, und evakuieren Sie den Kolben auf etwa 10 kPa. Schließen Sie dann das Vakuum und vergewissern Sie sich, dass keine Lecks vorhanden sind.
   • Ziehe 5 mL Fe(NO₃)₃ Lösung in die Spritze, stoße die Luft aus der Spritze aus und verbinde sie mit dem Absperrhahn.
   • Notiere die Temperatur, die auf dem Thermometer in deinem Labornotizbuch angezeigt wird, und beginne dann, Daten zu sammeln.
   • Warten Sie etwa 15 s und führen Sie die Fe(NO₃)_3-Lösung auf die gleiche Weise wie zuvor ein.
     Anmerkung: Wenn sich der Druck 150 kPa nähert, kann der Stopfen abspringen!
   • Nachdem die Datenerfassung abgeschlossen ist, speichern Sie die Daten, entlüften und reinigen Sie den Filterkolben und richten Sie ihn für den dritten Versuch ein.
   • Füllen Sie das 400-ml-Becherglas mit Eis und fügen Sie etwas hinzu, um das Wasser auf etwa 60 °C abzukühlen.
   • Führen Sie den dritten Versuch auf die gleiche Weise wie zuvor durch. Denken Sie daran, den Stopfen und das Innere des Kolbens zu trocknen und die Temperatur vor der Datenerfassung aufzuzeichnen.
   • Nachdem die Daten für diesen Versuch gesammelt wurden, kühlen Sie das Wasser auf etwa 40 °C ab und führen Sie den vierten Versuch durch.
   • Wenn Sie alle vier Versuche abgeschlossen haben, leeren Sie den Filterkolben und spülen Sie ihn ein letztes Mal in das Abfallbecherglas.
   • Entsorgen Sie überschüssige 0,5 M Fe(NO₃)₃ und den Inhalt des Abfallbechers in einem Behälter, der für wässrige Eisenabfälle gekennzeichnet ist.
   • Zerlegen Sie dann das Gerät und gießen Sie das übrig gebliebene Eis, Wasser und Wasserstoffperoxid in die Spüle. Waschen Sie Ihre Glaswaren gemäß dem Standardprotokoll Ihres Labors.
2. ResultsExpand

   Die Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Eisen ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, den wir nicht einfach in einer einzigen Gleichung beschreiben können. Wir können jedoch die scheinbare Aktivierungsenergie aus der Geschwindigkeit der Sauerstoffproduktion abschätzen und sie mit der scheinbaren Aktivierungsenergie des unkatalysierten Prozesses vergleichen.

   • Ermitteln Sie die Rate der Druckänderung, die direkt proportional zur Rate der Sauerstoffproduktion ist. Erstellen Sie für jedes Experiment ein Diagramm des Drucks in Bezug auf die Zeit und finden Sie den Punkt, an dem die Reaktion begann.
   • Ermitteln Sie den maximal erreichten Druck und bestimmen Sie die Steigung zwischen den beiden Punkten.
   • Sobald Sie die Steigungen und die entsprechenden Temperaturen in Kelvin für alle Temperaturen bestimmt haben, verwenden Sie die Arrhenius-Gleichung, um die scheinbare Aktivierungsenergie dieser Reaktion zu schätzen.
   • Nimm den Kehrwert der Temperaturen in Kelvin und den natürlichen Logarithmus der Änderungsrate des Drucks. Denken Sie daran, dass die Geschwindigkeitskonstante k im Wesentlichen gleich der Druckänderung ist.
   • Erstellen Sie ein Arrhenius-Diagramm und finden Sie die Steigung der Geraden.
   • Die Steigung ist gleich der negativen Aktivierungsenergie über der universellen Gaskonstante, multipliziere also die Steigung mit der negativen universellen Gaskonstante, um die scheinbare Aktivierungsenergie der eisenkatalysierten Zersetzungsreaktion zu erhalten. Sie sehen einen Wert im Bereich von 35–60 kJ/mol, da der Eisenkatalysator dafür sorgte, dass die Zersetzung weniger Energie benötigte. Die scheinbare Aktivierungsenergie der unkatalysierten Zersetzung von Wasserstoffperoxid liegt bei etwa 78 – 88 kJ/mol.

In dieser Übung führen Sie eine Zersetzungsreaktion durch, bei der eine einzelne Verbindung in zwei oder mehr einfachere Produkte zerfällt. Sie werden die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff beobachten. Diese Zersetzung geschieht sehr langsam, daher werden Sie Eisennitrat als Katalysator verwenden, um die Aktivierungsenergie zu senken. Während dieses Prozesses durchläuft Eisen eine Redoxreaktion und kehrt dann in seinen ursprünglichen Oxidationszustand zurück. Sie können dies als Farbänderung in Ihrer Lösung während der Reaktion sehen. Sie führen die gleiche Reaktion bei vier verschiedenen Temperaturen durch und verfolgen die Geschwindigkeit der Reaktion, indem Sie den Druck im Kolben aufzeichnen. Auf diese Weise können Sie messen, wie schnell in jedem Experiment Sauerstoff produziert wurde. Du verwendest dies, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu berechnen. Bevor Sie mit diesem Experiment beginnen, ziehen Sie einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Nitrilhandschuhe an. Stellen Sie nun sicher, dass Ihre Kochplatte ausgeschaltet ist und stellen Sie dann einen 600-Milliliter-Becher auf die Kochplatte. Verbinden Sie als Nächstes den Vakuumschlauch mit dem Widerhaken-Seitenarm eines 125-Milliliter-B