Determinazione dell'equazione cinetica e dell'ordine di reazione

1. Preparazione delle diluizioni H₂O₂

1. Il perossido di idrogeno al 3% ha una concentrazione di 0,882 M. Preparare 5 diluizioni che vanno da 0,882 M a 0,176 M (Tabella 1). Preparare queste soluzioni volumetricamente, ma prepararle in modo additivo poiché il soluto è molto diluito e i volumi di acqua sono additivi.
2. Posizionare le soluzioni a bagnomaria a temperatura costante o lasciarle sul piano di lavoro per equilibrare a temperatura ambiente. Un intervallo di temperatura di 20-25 °C (293-298 K) è buono per questa reazione.

Tabella 1. Soluzioni H₂O₂ utilizzate.

2. Preparazione del recipiente di reazione

1. Per determinare il volume del recipiente di reazione, riempire una grande provetta verso l'alto con acqua e inserire un tappo di gomma a 1 foro nella provetta fino a quando l'acqua non si stringe e l'acqua spinge fuori i lati e attraverso la parte superiore.
2. Rimuovere il tappo e versare l'acqua in un cilindro graduato per determinare il volume esatto dell'acqua. Questo è il volume totale del recipiente di reazione (provetta).

3. Misurare l'evoluzione dell'ossigeno

1. Sostituire l'acqua con 50 ml della prima soluzione di perossido di idrogeno e rimetterla nel bagno d'acqua. Una volta bilanciato, aggiungere il disco di reazione rivestito in platino e sigillare il sistema con un tappo collegato a un sensore di pressione del gas. Questi dischi sono comunemente usati nei sistemi di pulizia delle lenti a contatto.
2. Una volta configurato il sensore di pressione per acquisire dati a 2 punti/s, eseguire l'esperimento per 120 s. Il sensore di pressione del gas Vernier, GPS-BTA, è raccomandato per questo esperimento.
3. Le bolle devono essere osservate quando il perossido viene decomposto in ossigeno gassoso e acqua. Rilasciare la pressione, smaltire la soluzione, risciacquare e sostituire la soluzione con la successiva soluzione di perossido di idrogeno. Ripetere la misurazione della pressione del gas fino a quando tutte le soluzioni non vengono testate.

4. Analisi dei dati

1. Trasferisci tutti i file di dati di pressione rispetto al tempo in un programma di fogli di calcolo.
2. Determinare i tassi iniziali - supponiamo che la concentrazione di perossido di idrogeno non sia cambiata molto durante il breve lasso di tempo dell'esperimento. I dati rappresentano la regione lineare iniziale dell'esperimento di cinetica.
   1. Determinare la pendenza tracciando la pressione rispetto al tempo e utilizzando una formula di pendenza o una regressione lineare. Traccia la pressione in qualsiasi unità comune.
   2. La pendenza è la velocità iniziale in unità di_{pressione O2}/s.
3. Determinazione dell'ordine di reazione
   1. Poiché la pressione di O₂ evoluto è direttamente proporzionale alle moli di H₂O₂decomposte, tracciando il ln(velocità iniziale) vs. ln[H₂O₂]₀ si ottiene una pendenza equivalente all'ordine della reazione. La concentrazione iniziale di perossido di idrogeno, [H₂O₂]₀, è quella utilizzata in ciascuna delle prove.
      1. L'equazione per la legge del tasso è . Prendendo il logaritmo naturale (ln) dell'equazione si produce un'equazione lineare , dove m, la pendenza, è l'ordine della reazione.

4. Determinazione della costante di velocità, k
   1. Per ogni prova, convertire la velocità, P_O2/s, in unità di atm/s se la velocità è in un'unità diversa come torr/s.
   2. Poiché le bolle si sono evolute in soluzione acquosa, sottrarre la pressione di vapore dell'acqua dalla pressione del sistema per ogni prova. Il nuovo tasso riflette solo la pressione dovuta all'evoluzione dell'ossigeno.
   3. Applicare la legge del gas ideale per convertire il tasso da atm/s in moli/s in ogni prova.
      1. Riorganizzare PV = nRT in n = PV/RT. L'unità s^-1 rimane invariata. Il volume è equivalente al volume della provetta meno il volume della soluzione (50 ml).
   4. Utilizzare la reazione chimica bilanciata per convertire da moli di ossigeno prodotti a moli di perossido di idrogeno decomposto in ogni prova.
   5. Dividere i moli di H₂O₂ per il volume della soluzione, 0,050 L, per ottenere la molarità di H₂O₂ decomposo al secondo, [H₂O₂]/s.
   6. Poiché questo esperimento segue la cinetica del primo ordine, dividere la velocità, [H₂O₂]/s, per la concentrazione originale della soluzione per ogni prova, [H₂O₂]₀, per ottenere una costante di velocità, k. Questa soluzione per la costante di velocità varierebbe leggermente in base all'ordine della reazione precedentemente determinato.
   7. Media le costanti di velocità per ogni prova insieme poiché la temperatura è costante.