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.

Dependencia de la temperatura

Conceptos Preparación del instructor Protocolo del estudiante

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La medida de la rapidez con la que se produce una reacción se denomina velocidad de reacción. La velocidad de una reacción química está definida por la ley de velocidad, que describe la relación entre la velocidad de la reacción y las concentraciones de reactivo. En esta ecuación, k es la constante de velocidad, A y B son los dos reactivos, y m y n son sus respectivos órdenes de reacción.

La constante de tasa convierte la relación en las unidades de tasa adecuadas, moles por litro por segundo. Por lo tanto, la constante de velocidad tiene diferentes unidades, dependiendo del orden general de la reacción. Sin embargo, la constante de tasa tiene más importancia que la simple conversión de unidades. La constante de velocidad está relacionada con la cantidad mínima de energía requerida para que ocurra una reacción química, llamada energía de activación.

En una reacción, los reactivos se encuentran en un estado inicial de energía potencial. A medida que avanza la reacción, debe superar una cierta energía potencial, la energía de activación, antes de alcanzar su estado final. La energía neta de la reacción es la diferencia entre el estado inicial y el final. Esta diferencia puede ser negativa, lo que significa que la reacción libera energía, o positiva, lo que significa que absorbe energía.

Si no hay suficiente energía disponible para superar la energía de activación, la reacción no continuará. En algunos casos, la energía puede suministrarse en forma de calor. Esto proporciona energía adicional para superar la barrera de la activación, y la reacción puede continuar. También se puede agregar un catalizador, que proporciona una vía alternativa de menor energía de activación entre los reactivos y los productos.

Los catalizadores no se consumen en la reacción y, por lo tanto, no afectan a la energía neta de la reacción. La energía de activación se determina experimentalmente y se relaciona con la constante de reacción k mediante la ecuación de Arrhenius, donde A es el factor preexponencial o de frecuencia, R es la constante universal del gas y T es la temperatura absoluta a la que se produce la reacción.

A partir de esta ecuación, sabemos que aumentar la temperatura de reacción o disminuir la energía de activación aumenta la constante de velocidad. Volviendo a la ecuación de la ley de la tasa, se deduce que una constante de velocidad más alta da como resultado una velocidad de reacción más alta. Esto tiene sentido porque a medida que aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia, lo que resulta en una mayor fracción de moléculas con mayor energía que la energía de activación.

En este laboratorio, aprenderá a medir experimentalmente la energía de activación de una reacción utilizando la descomposición del peróxido de hidrógeno como reacción modelo.

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Fuente: Smaa Koraym de la Universidad Johns Hopkins, MD, EE.UU.

Descomposición dependiente de la temperatura del peróxido de hidrógeno
Sugerimos que los estudiantes trabajen en parejas para este experimento. Los controles del equipo pueden variar.

En este laboratorio, realizará una reacción de descomposición en la que un solo compuesto se descompone en dos o más productos más simples. Observarás la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Esta descomposición ocurre muy lentamente, por lo que utilizará nitrato de hierro (III) como catalizador para reducir la energía de activación.

Durante este proceso, el hierro se somete a una reacción redox y luego vuelve a su estado de oxidación inicial. Podrá ver esto como un cambio de color en su solución durante la reacción. Realizará la misma reacción a cuatro temperaturas diferentes y realizará un seguimiento de la velocidad de la reacción registrando la presión dentro del matraz. De esta manera, se puede medir la rapidez con la que se produjo el oxígeno en cada experimento. Usarás esto para calcular la energía de activación de la reacción.

Tabla 1. Estimar la energía de activación aparente para la descomposición del peróxido de hidrógeno

juicio Temperatura (°C) ΔP (kPa/s) 1/T ln (ΔP)
1
número arábigo
3
4

Haga clic aquí para descargar la Tabla 1
- Antes de comenzar este experimento, ponte una bata de laboratorio, gafas de seguridad y guantes de nitrilo.
- Asegúrese de que su placa calefactora esté apagada y luego coloque un vaso de precipitados de 600 ml en la placa calefactora.
- Conecte el tubo de vacío al brazo lateral de púas de un matraz de filtro Büchner de 125 mL y sujete con cuidado el matraz de filtro en el vaso de precipitados de 600 mL de modo que el brazo lateral quede justo por encima de la parte superior del vaso de precipitados.
- Llene un vaso de precipitados de 400 ml con agua desionizada y vierta el agua en el vaso de precipitados de 600 ml hasta que el nivel del agua esté unos 2-3 cm por debajo del brazo lateral.
  NOTA: Asegúrese de que el agua no pueda entrar en el matraz o en la línea de vacío.
- Sumerja el termómetro en el agua, sujetándolo en su lugar de modo que el extremo quede en contacto con la pared exterior del matraz. Asegúrese de poder leer la temperatura actual, así como las marcas de 40, 60 y 80 °C.
- Asegúrese de que cada orificio del adaptador de 2 orificios esté equipado con un adaptador de bloqueo cónico. Comprueba que todos los adaptadores estén bien asentados, ya que el aire que se escape a su alrededor afectará a tus datos.
- Bloquea una llave de paso de 2 vías en uno de los adaptadores de tope. Luego, bloquee un extremo del tubo flexible en el segundo adaptador con el otro extremo en el conector del sensor de presión de gas.
- Encienda el dispositivo de adquisición de datos para el sensor de presión de gas y asegúrese de que la presión se muestre en kPa.
- Establece la velocidad de adquisición en dos muestras por segundo y la duración en 300 s. A continuación, muestra la presión en tiempo real.
- Etiquete un vaso de precipitados de 400 ml como 'residuo', un vaso de precipitados de 50 ml como '0.5 M Fe(NO₃)₃' y un vaso de precipitados de 100 mL como '3% p/p de peróxido de hidrógeno'.
- Coloca unas cuantas toallas de papel en la superficie de trabajo como un área limpia para la cristalería que vas a reutilizar. Tenga a mano un suministro de toallas de papel para más tarde.
- Luego, lleve los vasos de precipitados de 50 ml y 100 ml al área de la solución madre. Vierta aproximadamente 30 mL de 0,5 M de Fe(_NO3)₃ en el vaso de precipitados de 50 mL y 100 mL de peróxido de hidrógeno al 3% p/p en el vaso de precipitados de 100 mL.
- De vuelta a su espacio de trabajo, configure una pipeta volumétrica de 20 ml y llénela hasta la marca con un 3% p/p de peróxido de hidrógeno. Dispense el peróxido de hidrógeno en el matraz filtrante y deje la pipeta volumétrica a un lado.
- Ajusta el termómetro según sea necesario para que entre en contacto con el matraz por debajo del nivel de la solución de peróxido de hidrógeno.
- Coloque el tapón de goma en la boca del matraz de filtro, teniendo cuidado de no aflojar las conexiones al sensor y a la llave de paso de 2 vías.
- Comprueba que el tope de 2 vías esté cerrado. Abra la línea de vacío y controle la presión a medida que disminuye. Esto sellará el tapón en el matraz. Una vez que la presión alcance los 10 kPa, cierre la aspiradora.
- Monitorea la presión durante al menos 1 minuto para confirmar que no hay fugas lentas.
  NOTA: Si la presión comienza a aumentar rápidamente inmediatamente, hay una fuga en su configuración, así que apriete las conexiones y vuelva a intentarlo hasta que la presión se mantenga en 10 kPa cuando la línea de vacío esté cerrada.
- Extrae 5 mL de 0.5 M Fe(NO₃)₃ en una jeringa de 20 mL. Expulse todo el aire de la jeringa para que solo contenga la solución.
- Bloquea la jeringa en la parte superior de la llave de paso de 2 vías. Ahora está listo para comenzar la prueba de temperatura ambiente, así que registre la temperatura del agua en su cuaderno de laboratorio.
- Comience a adquirir datos de presión de gas. Deje que el dispositivo registre datos durante unos 15 s, luego abra la llave de paso y ciérrela rápidamente una vez que todo el Fe(NO₃)₃ haya entrado en el matraz. El aumento observado de la presión se debe a la evolución del gas oxígeno producido por la descomposición del peróxido de hidrógeno.
- Una vez finalizada la recopilación de datos, guarde sus datos. A continuación, desconecte la jeringa y abra la llave de paso para ventilar el matraz.
- Saque el tapón de goma, retire con cuidado el termómetro de la pinza y el matraz del vaso de precipitados, y desconecte el tubo de vacío del matraz del filtro.
- Vacía el matraz en el vaso de precipitados. Trate de que no entre líquido en el brazo lateral. Seque el exterior del matraz con toallas de papel.
- Enjuague el interior del matraz con agua desionizada y vierta el enjuague en el vaso de precipitados. Si entra líquido en el brazo lateral, retírelo con toallas de papel.
- Vuelva a conectar el matraz a la línea de vacío y sujételo en el vaso de precipitados de 600 ml en contacto con el termómetro.
- Enciende la placa calefactora y calienta el agua alrededor del matraz hasta que el termómetro marque 80 °C. Luego, apaga el fuego.
- Luego, agregue 20 mL de peróxido de hidrógeno al 3% p/p al matraz.
- Seca el tapón con toallas de papel. Haga esto después de cada prueba para asegurarse de que el tapón tenga un ajuste perfecto en el cuello del vaso de precipitados y que el tapón encaje en el matraz.
- Compruebe que la llave de paso esté cerrada y evacúe el matraz a unos 10 kPa. Luego, cierre la aspiradora y confirme que no haya fugas.
- Extraiga 5 mL de solución de Fe(NO₃)₃ en la jeringa, expulse el aire de la jeringa y conéctela a la llave de paso.
- Registre la temperatura que se muestra en el termómetro en su cuaderno de laboratorio, luego, comience a recopilar datos.
- Espere unos 15 s e introduzca la solución de Fe(NO₃)₃ de la misma manera que antes.
  nota: A medida que la presión se acerca a los 150 kPa, el tapón puede salirse.
- Una vez finalizada la recopilación de datos, guarde los datos, ventile y limpie el matraz de filtro, y prepárese para la tercera prueba.
- Llena el vaso de precipitados de 400 ml con hielo y añade un poco para enfriar el agua a unos 60 °C.
- Realiza la tercera prueba de la misma manera que antes. Recuerde secar el tapón y el interior del matraz y registrar la temperatura antes de la recopilación de datos.
- Después de recopilar los datos para esa prueba, enfríe el agua a unos 40 °C y realice la cuarta prueba.
- Una vez que haya terminado las cuatro pruebas, vacíe el matraz de filtro y enjuáguelo en el vaso de precipitados por última vez.
- Deseche cualquier exceso de 0.5 M Fe(NO₃)₃ y el contenido del vaso de precipitados de residuos en un contenedor etiquetado para residuos acuosos de hierro.
- Luego, desmonta el aparato y vierte los restos de hielo, agua y peróxido de hidrógeno en el fregadero. Lave su cristalería siguiendo el protocolo estándar de su laboratorio.
Resultadosexpandir
La descomposición del peróxido de hidrógeno con hierro es un proceso complejo de varios pasos que no podemos describir fácilmente en una sola ecuación. Sin embargo, podemos estimar la energía de activación aparente a partir de la tasa de producción de oxígeno y compararla con la energía de activación aparente del proceso no catalizado.
- Encuentra la tasa de cambio de presión, que es directamente proporcional a la tasa de producción de oxígeno. Para cada experimento, haz una gráfica de presión con respecto al tiempo y encuentra el punto donde comenzó la reacción.
- Identifica la presión máxima alcanzada y determina la pendiente entre los dos puntos.
- Una vez que hayas determinado las pendientes y las temperaturas correspondientes en Kelvin para todas las temperaturas, usa la ecuación de Arrhenius para estimar la energía de activación aparente de esta reacción.
- Toma el recíproco de las temperaturas en Kelvin y el logaritmo natural de la tasa de cambio en la presión. Recuerde que la constante de velocidad k es esencialmente igual al cambio de presión.
- Haz un gráfico de Arrhenius y encuentra la pendiente de la recta.
- La pendiente es igual a la energía de activación negativa sobre la constante de gas universal, así que multiplique la pendiente por la constante de gas universal negativa para obtener la energía de activación aparente de la reacción de descomposición catalizada por hierro. Verá un valor en el rango de 35 a 60 kJ / mol porque el catalizador de hierro hizo que la descomposición tomara menos energía. La energía de activación aparente de la descomposición no catalizada del peróxido de hidrógeno es de alrededor de 78 – 88 kJ/mol.