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.

Dipendenza dalla temperatura

Concetti Preparazione dell'istruttore Protocollo per Studenti

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La misura della velocità con cui procede una reazione è chiamata velocità di reazione. La velocità di una reazione chimica è definita dalla legge della velocità, che descrive la relazione tra la velocità della reazione e le concentrazioni dei reagenti. In questa equazione, k è la costante di velocità, A e B sono i due reagenti e m e n sono i rispettivi ordini di reazione.

La costante di velocità converte la relazione nelle unità di velocità corrette, moli per litro al secondo. Pertanto, la costante di velocità ha unità diverse, a seconda dell'ordine generale della reazione. Tuttavia, la costante di velocità ha più significato della semplice conversione di unità. La costante di velocità è correlata alla quantità minima di energia richiesta affinché avvenga una reazione chimica, chiamata energia di attivazione.

In una reazione, i reagenti si trovano in uno stato iniziale di energia potenziale. Man mano che la reazione procede, deve superare una certa energia potenziale, l'energia di attivazione, prima di raggiungere il suo stato finale. L'energia netta della reazione è la differenza tra lo stato iniziale e quello finale. Questa differenza può essere negativa, il che significa che la reazione rilascia energia, o positiva, il che significa che assorbe energia.

Se non c'è abbastanza energia disponibile per superare l'energia di attivazione, la reazione non procederà. In alcuni casi, l'energia può essere fornita sotto forma di calore. Ciò fornisce energia aggiuntiva per superare la barriera all'attivazione e la reazione può procedere. Può anche essere aggiunto un catalizzatore, che fornisce un percorso alternativo di energia di attivazione inferiore tra i reagenti e i prodotti.

I catalizzatori non vengono consumati nella reazione e, quindi, non influenzano l'energia netta della reazione. L'energia di attivazione è determinata sperimentalmente ed è correlata alla costante di reazione k dall'equazione di Arrhenius dove A è il fattore pre-esponenziale o di frequenza, R è la costante universale dei gas e T è la temperatura assoluta alla quale avviene la reazione.

Da questa equazione, sappiamo che aumentando la temperatura di reazione o diminuendo l'energia di attivazione aumenta la costante di velocità. Tornando all'equazione della legge della velocità, ne consegue che una costante di velocità più alta si traduce in una velocità di reazione più elevata. Questo ha senso perché all'aumentare della temperatura, le molecole si muovono più velocemente e si scontrano più frequentemente, con conseguente aumento della frazione di molecole con energia superiore all'energia di attivazione.

In questo laboratorio imparerai come misurare sperimentalmente l'energia di attivazione di una reazione utilizzando la decomposizione del perossido di idrogeno come reazione modello.

Print Procedure Steps

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

Fonte: Smaa Koraym presso la Johns Hopkins University, MD, USA

Decomposizione del perossido di idrogeno dipendente dalla temperatura
Suggeriamo agli studenti di lavorare in coppia per questo esperimento. I controlli dell'apparecchiatura possono variare.

In questo laboratorio, eseguirai una reazione di decomposizione in cui un singolo composto si scompone in due o più prodotti più semplici. Osserverai la decomposizione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno. Questa decomposizione avviene molto lentamente, quindi utilizzerai il nitrato di ferro (III) come catalizzatore per abbassare l'energia di attivazione.

Durante questo processo, il ferro subisce una reazione redox e poi ritorna al suo stato di ossidazione iniziale. Sarai in grado di vedere questo come un cambiamento di colore nella tua soluzione durante la reazione. Eseguirai la stessa reazione a quattro diverse temperature e monitorerai la velocità della reazione registrando la pressione all'interno del pallone. In questo modo è possibile misurare la velocità con cui l'ossigeno è stato prodotto in ogni esperimento. Lo userai per calcolare l'energia di attivazione della reazione.

Tabella 1. Stimare l'energia di attivazione apparente per la decomposizione del perossido di idrogeno

prova Temperatura (°C) ΔP (kPa/s) 1/T ln (ΔP)
1
numero arabo
3
4

Clicca qui per scaricare la Tabella 1
- Prima di iniziare questo esperimento, indossa un camice da laboratorio, occhiali di sicurezza e guanti in nitrile.
- Assicurati che la tua piastra calda sia spenta e poi posiziona un becher da 600 ml sulla piastra calda.
- Collega il tubo del vuoto al braccio laterale spinato di un pallone filtrante Büchner da 125 mL e blocca con cura il pallone filtrante nel becher da 600 mL in modo che il braccio laterale sia appena sopra la parte superiore del becher.
- Riempi un becher da 400 mL con acqua deionizzata., e versa l'acqua nel becher da 600 mL fino a quando il livello dell'acqua è circa 2-3 cm sotto il braccio laterale.
  NOTA: Assicurarsi che l'acqua non sia in grado di entrare nel pallone o nella linea del vuoto.
- Immergi il termometro nell'acqua, bloccandolo in posizione in modo che l'estremità sia a contatto con la parete esterna del pallone. Assicurati di poter leggere la temperatura attuale, nonché i segni di 40, 60 e 80 °C.
- Assicurati che ogni foro dell'adattatore a 2 fori sia dotato di un adattatore di bloccaggio conico. Controlla che tutti gli adattatori siano ben posizionati, poiché l'aria che fuoriesce intorno ad essi influirà sui tuoi dati.
- Blocca un rubinetto a 2 vie in uno degli adattatori di chiusura. Quindi, bloccare un'estremità del tubo flessibile nel secondo adattatore con l'altra estremità nel connettore del sensore di pressione del gas.
- Accendi il dispositivo di acquisizione dati per il sensore di pressione del gas e assicurati che la pressione sia visualizzata in kPa.
- Imposta la velocità di acquisizione a due campioni al secondo e la durata a 300 s. Quindi, visualizza la pressione in tempo reale.
- Etichetta un becher da 400 ml come 'rifiuto', un becher da 50 ml come '0.5 M Fe(NO₃)₃' e un becher da 100 ml come '3% p/p perossido di idrogeno'.
- Posiziona alcuni tovaglioli di carta sulla superficie di lavoro come area pulita per la vetreria che riutilizzerai. Tieni a portata di mano una scorta di tovaglioli di carta per dopo.
- Allora, porta i becher da 50 ml e 100 ml nell'area della soluzione di riserva. Versare circa 30 mL di 0,5 M di Fe(NO₃)₃ nel becher da 50 mL e 100 mL di perossido di idrogeno al 3% p/p nel becher da 100 mL.
- Tornando al tuo spazio di lavoro, imposta una pipetta volumetrica da 20 ml e riempila fino al segno con il 3% p/p di perossido di idrogeno. Erogare il perossido di idrogeno nel pallone filtrante e mettere da parte la pipetta volumetrica.
- Regola il termometro secondo necessità in modo che tocchi il pallone al di sotto del livello della soluzione di perossido di idrogeno.
- Inserire il tappo di gomma nella bocca del pallone del filtro, facendo attenzione a non allentare i collegamenti al sensore e al rubinetto a 2 vie.
- Controlla che la fermata a 2 vie sia chiusa. Aprire la linea del vuoto e monitorare la pressione man mano che diminuisce. Questo sigillerà il tappo nel pallone. Una volta che la pressione raggiunge i 10 kPa, chiudere il vuoto.
- Monitora la pressione per almeno 1 minuto per confermare che non ci siano perdite lente.
  NOTA: Se la pressione inizia immediatamente ad aumentare rapidamente, c'è una perdita nella configurazione, quindi serrare i collegamenti e riprovare fino a quando la pressione non si mantiene a 10 kPa quando la linea del vuoto è chiusa.
- Aspira 5 ml di 0,5 M Fe(NO₃)₃ in una siringa da 20 ml. Espellere tutta l'aria dalla siringa in modo che contenga solo la soluzione.
- Blocca la siringa nella parte superiore del rubinetto a 2 vie. Ora sei pronto per iniziare la prova a temperatura ambiente, quindi registra la temperatura dell'acqua sul tuo quaderno di laboratorio.
- Inizia ad acquisire dati sulla pressione del gas. Lasciare che il dispositivo registri i dati per circa 15 s, quindi aprire il rubinetto e chiuderlo rapidamente una volta che tutto il Fe(NO₃)₃ è entrato nel pallone. L'aumento di pressione osservato è dovuto all'evoluzione dell'ossigeno gassoso prodotto dalla decomposizione del perossido di idrogeno.
- Una volta terminata la raccolta dei dati, salva i tuoi dati. Quindi, scollegare la siringa e aprire il rubinetto per sfiatare il pallone.
- Togli il tappo di gomma, rimuovi con cautela il termometro dal morsetto e il pallone dal becher e scollega il tubo del vuoto dal pallone del filtro.
- Svuota la fiaschetta nel becher dei rifiuti. Cerca di non far entrare liquidi nel braccio laterale. Asciugare l'esterno del pallone con carta assorbente.
- Risciacqua l'interno del pallone con acqua deionizzata e versa il risciacquo nel becher dei rifiuti. Se del liquido entra nel braccio laterale, rimuoverlo con carta assorbente.
- Ricollega il pallone alla linea del vuoto e bloccalo nel becher da 600 ml a contatto con il termometro.
- Accendi la piastra riscaldante e riscalda l'acqua intorno al pallone fino a quando il termometro segna 80 °C. Quindi, spegni il fuoco.
- Allora, aggiungi 20 ml di perossido di idrogeno al 3% p/p al pallone.
- Asciuga il tappo con carta assorbente. Fallo dopo ogni prova per assicurarti che il tappo aderisca perfettamente al collo del becher e inserire il tappo nel pallone.
- Controlla che il rubinetto sia chiuso ed evacua il pallone a circa 10 kPa. Quindi, chiudere l'aspirapolvere e verificare che non ci siano perdite.
- Aspira 5 ml di soluzione Fe(NO₃)₃ nella siringa, espelle l'aria dalla siringa e collegala al rubinetto.
- Registra la temperatura mostrata sul termometro nel tuo quaderno di laboratorio, quindi inizia a raccogliere dati.
- Attendi circa 15 s e introduci la soluzione Fe(NO₃)₃ nello stesso modo di prima.
  nota: Quando la pressione si avvicina a 150 kPa, il tappo potrebbe staccarsi!
- Dopo che la raccolta dei dati è terminata, salva i dati, sfiati e pulisci il pallone del filtro e preparati per la terza prova.
- Riempi il becher da 400 ml di ghiaccio e aggiungine un po' per raffreddare l'acqua a circa 60 °C.
- Esegui la terza prova nello stesso modo di prima. Ricordarsi di asciugare il tappo e l'interno del pallone e di registrare la temperatura prima della raccolta dei dati.
- Dopo aver raccolto i dati per quella prova, raffredda l'acqua a circa 40 °C ed esegui la quarta prova.
- Una volta terminate tutte e quattro le prove, svuota il pallone filtrante e sciacqualo nel becher dei rifiuti un'ultima volta.
- Smaltisci l'eccesso di 0,5 M Fe(NO₃)₃ e il contenuto del becher di rifiuti in un contenitore etichettato per i rifiuti acquosi di ferro.
- Allora, smonta l'apparecchio e versa il ghiaccio, l'acqua e il perossido di idrogeno rimanenti nel lavandino. Lava la vetreria seguendo il protocollo standard del tuo laboratorio.
Risultati
La decomposizione del perossido di idrogeno con il ferro è un processo complesso e in più fasi che non possiamo facilmente descrivere in una singola equazione. Tuttavia, possiamo stimare l'energia di attivazione apparente dal tasso di produzione di ossigeno e confrontarla con l'energia di attivazione apparente del processo non catalizzato.
- Trova il tasso di variazione della pressione, che è direttamente proporzionale al tasso di produzione di ossigeno. Per ogni esperimento, fai un grafico della pressione rispetto al tempo e trova il punto in cui è iniziata la reazione.
- Identifica la pressione massima raggiunta e determina la pendenza tra i due punti.
- Una volta che hai determinato le pendenze e le temperature corrispondenti in Kelvin per tutte le temperature, usa l'equazione di Arrhenius per stimare l'energia di attivazione apparente di questa reazione.
- Prendi il reciproco delle temperature in Kelvin e il log naturale del tasso di variazione della pressione. Ricordate che la costante di velocità k è essenzialmente uguale alla variazione di pressione.
- Crea un grafico di Arrhenius e trova la pendenza della linea.
- La pendenza è uguale all'energia di attivazione negativa sulla costante universale del gas, quindi moltiplica la pendenza per la costante universale negativa del gas per ottenere l'energia di attivazione apparente della reazione di decomposizione catalizzata dal ferro. Vedrai un valore nell'intervallo di 35-60 kJ/mol perché il catalizzatore di ferro ha fatto sì che la decomposizione richiedesse meno energia. L'energia di attivazione apparente della decomposizione non catalizzata del perossido di idrogeno è di circa 78 – 88 kJ/mol.