温度依存性

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

1. 温度依存の過酸化水素分解Expand

   この実験では、生徒がペアで作業することをお勧めします。機器の制御は異なる場合があります。

   このラボでは、1 つの化合物が 2 つ以上の単純な生成物に分解する分解反応を行います。過酸化水素が水と酸素に分解される様子を観察します。この分解は非常にゆっくりと起こるため、活性化エネルギーを下げるための触媒として硝酸鉄(III)を使用します。

   このプロセスでは、鉄は酸化還元反応を起こし、その後、最初の酸化状態に戻ります。これは、反応中の溶液の色の変化として見ることができます。同じ反応を 4 つの異なる温度で行い、フラスコ内の圧力を記録することで反応速度を追跡します。このようにして、各実験で酸素がどれだけ速く生成されたかを測定できます。これを使用して、反応の活性化エネルギーを計算します。

   テーブル 1.過酸化水素の分解のための見かけの活性化エネルギーの推定

   裁判	温度 (°C)	ΔP (kPa/s)	1 / T	ln (ΔP)
   1
   2
   3
   4

   表 1 をダウンロードするにはここをクリックしてください

   • この実験を始める前に、白衣、安全メガネ、ニトリル手袋を着用してください。
   • ホットプレートがオフになっていることを確認してから、ホットプレートに600mLのビーカーを置きます。
   • 真空チューブを125 mL Büchnerフィルターフラスコのとげのあるサイドアームに接続し、フィルターフラスコを600 mLビーカーに慎重に固定して、サイドアームがビーカーの上部のすぐ上にくるようにします。
   • 400 mLのビーカーに脱イオン水を入れ、600 mLのビーカーに水を注ぎ、サイドアームから約2〜3 cm下になるように水位を注ぎます。
     注意: 水がフラスコや真空ラインに入らないようにしてください。
   • 温度計を水に浸し、端がフラスコの外壁に接触するように所定の位置に固定します。現在の温度と、40°C、60°C、80°Cのマークが読み取れることを確認してください。
   • 2穴アダプターの各穴にテーパーロックアダプターが取り付けられていることを確認してください。すべてのアダプターがしっかりと固定されていることを確認してください。アダプターの周囲に漏れる空気はデータに影響を与えるためです。
   • 2ウェイストップコックをストッパーアダプターの1つにロックします。次に、フレキシブルチューブの一方の端を2番目のアダプターにロックし、もう一方の端をガス圧力センサーのコネクタにロックします。
   • ガス圧力センサーのデータ収集デバイスをオンにし、圧力がkPaで表示されていることを確認します。
   • 取得速度を毎秒2サンプル、持続時間を300秒に設定します。次に、圧力をリアルタイムで表示します。
   • 400 mLのビーカーを「廃棄物」、50 mLのビーカーを「0.5 M Fe(NO₃)₃」、100 mLのビーカーを「3% w/w過酸化水素」とラベル付けします。
   • 作業面にペーパータオルを数枚置いて、再利用するガラス器具のきれいな場所として置いてください。ペーパータオルは後回しにしておくとよいでしょう。
   • 次に、50mLと100mLのビーカーを原液エリアに持ってきます。50 mLビーカーに約30 mLの0.5 M Fe(NO₃)₃を注ぎ、100 mLビーカーに100 mLの3%w / w過酸化水素を注ぎます。
   • ワークスペースに戻り、20mLの容量ピペットをセットアップし、3% w/wの過酸化水素をマークまで満たします。過酸化水素をフィルターフラスコに分注し、容量ピペットを脇に置きます。.
   • 必要に応じて温度計を調整して、過酸化水素溶液レベルより下のフラスコに接触するようにします。
   • センサーと2方向ストップコックへの接続が緩まないように注意しながら、ゴム栓をフィルターフラスコの口に取り付けます。
   • 2方向のストップが閉じていることを確認してください。真空ラインを開き、圧力が減少するのを監視します。これにより、フラスコのストッパーが密閉されます。圧力が10kPaに達したら、真空を閉じます。
   • 少なくとも1分間圧力を監視して、ゆっくりとした漏れがないことを確認します。
     注意: 圧力がすぐに急速に上昇し始める場合は、セットアップに漏れが発生しているため、接続を締めて、真空ラインが閉じられたときに圧力が10kPaに保持されるまで再試行してください。
   • 5mLの0.5 M Fe(NO₃)₃を20mLのシリンジに引き込みます。シリンジからすべての空気を排出して、溶液のみが含まれるようにします。
   • 注射器を2方向ストップコックの上部にロックします。これで室温試験を開始する準備が整いましたので、水温を実験ノートに記録します。
   • ガス圧力データの取得を開始します。デバイスがデータを約15秒間記録するのを待ってから、ストップコックを開き、すべてのFe(NO₃)₃がフラスコに入ったらすばやく閉じます。観測された圧力の上昇は、過酸化水素の分解によって生成される酸素ガスの発生によるものです。
   • データ収集が終了したら、データを保存してください。次に、シリンジを外し、ストップコックを開いてフラスコを通気します。
   • ゴム栓を取り出し、クランプから温度計を慎重に取り外し、ビーカーからフラスコを取り外し、フィルターフラスコから真空チューブ
     を外します。
   • フラスコをゴミ箱に空にします。サイドアームに液体が入らないようにしてください。フラスコの外側をペーパータオルで乾かします。
   • フラスコの内部を脱イオン水ですすぎ、すすぎ水を廃棄物ビーカーに注ぎます。サイドアームに液体が入った場合は、ペーパータオルで取り除いてください。
   • フラスコを真空ラインに再接続し、温度計と接触する600mLビーカーにクランプします。
   • ホットプレートをオンにし、温度計が80°Cを示すまでフラスコの周りの水を加熱します。その後、火を止めます。
   • 次に、フラスコに3% w/wの過酸化水素を20mL加えます。
   • ペーパータオルでストッパーを乾かします。各試行後にこれを行い、ストッパーがビーカーの首にぴったりとフィットし、ストッパーがフラスコに収まるようにします。
   • ストップコックが閉じていることを確認し、フラスコを約10kPaまで排気します。次に、掃除機を閉じて、漏れがないことを確認します。
   • 5mLのFe(NO₃)₃溶液をシリンジに吸い込み、シリンジから空気を排出し、ストップコックに接続します。
   • 体温計に表示されている温度を実験ノートに記録し、データの収集を開始します。
   • 約15秒待ってから、先ほどと同じようにFe(NO₃)₃溶液を導入します。
     手記：圧力が150kPaに近づくと、ストッパーが飛び出すことがあります!
   • データ収集が終了したら、データを保存し、フィルターフラスコをベントして掃除し、3回目の試行の準備をします。
   • 400mLのビーカーに氷を入れ、水を加えて約60°Cに冷却します。
   • 前と同じように3回目の試行を行います。データ収集の前に、ストッパーとフラスコの内側を乾燥させ、温度を記録することを忘れないでください。
   • その試行のデータが収集された後、水を約40°Cに冷却し、4回目の試行を実行します。
   • 4回の試行をすべて終えたら、フィルターフラスコを空にして、最後にもう一度廃棄物ビーカーにすすいでください。
   • 余分な0.5 M Fe(NO₃)₃と廃棄物ビーカーの内容物は、水性鉄廃棄物のラベルが付いた容器に処分します。
   • 次に、装置を分解し、残った氷、水、過酸化水素をシンクに注ぎます。ガラス器具は、ラボの標準プロトコルに従って洗ってください。
2. ResultsExpand

   過酸化水素と鉄の分解は、1つの方程式では簡単に説明できない複雑な多段階のプロセスです。しかし、酸素の生成速度から見かけの活性化エネルギーを推定し、それを触媒なしプロセスの見かけの活性化エネルギーと比較することはできます。

   • 酸素生成速度に正比例する圧力変化率を求めます。各実験について、時間に対する圧力のプロットを作成し、反応が始まった点を見つけます。
   • 達成された最大圧力を特定し、2点間の傾きを決定します。
   • すべての温度についてケルビンの傾きと対応する温度を決定したら、アレニウス方程式を使用して、この反応の見かけの活性化エネルギーを推定します。
   • ケルビンの温度の逆数と圧力の変化率の自然対数を取ります。速度定数kは基本的に圧力の変化に等しいことを忘れないでください。
   • アレニウスプロットを作成し、線の傾きを求めます。
   • 傾きは万能ガス定数に対する負の活性化エネルギーに等しいため、傾きに負の万能ガス定数を掛けると、鉄触媒分解反応の見かけの活性化エネルギーが得られます。35〜60 kJ/molの範囲の値が表示されるのは、鉄触媒が分解に必要なエネルギーを少なくしたためです。過酸化水素の無触媒分解の見かけの活性化エネルギーは約78〜88 kJ / molです。