온도 의존성
출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA
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이 실험을 위해 학생들이 둘씩 짝을 지을 것을 제안합니다. 장비 제어는 다를 수 있습니다.
이 실험실에서는 단일 화합물이 두 개 이상의 더 간단한 생성물로 분해되는 분해 반응을 수행합니다. 과산화수소가 물과 산소로 분해되는 것을 관찰합니다. 이 분해는 매우 천천히 진행되므로 질산철(III)을 촉매로 사용하여 활성화 에너지를 낮춥니다.
이 과정에서 철은 산화 환원 반응을 거친 다음 시작 산화 상태로 돌아갑니다. 이것은 반응 중에 용액의 색상 변화로 볼 수 있습니다. 4가지 다른 온도에서 동일한 반응을 수행하고 플라스크 내부의 압력을 기록하여 반응 속도를 추적합니다. 이렇게 하면 각 실험에서 산소가 얼마나 빨리 생성되었는지 측정할 수 있습니다. 이를 사용하여 반응의 활성화 에너지를 계산합니다.
표 1. 과산화수소의 분해를 위한 겉보기 활성화 에너지를 추정
합니다. 개 개 개
.재판 온도(°C) ΔP (kPa/s) 1/티 엘른 (ΔP) 1 2 3 4 -
이 실험을 시작하기 전에 실험복, 보안경, 니트릴 장갑을 착용하십시오.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-2">
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125mL Büchner 필터 플라스크의 미늘 사이드암에 진공 튜브를 연결하고 사이드암이 비커 상단 바로 위에 오도록 600mL 비커에 필터 플라스크를 조심스럽게 고정합니다.
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400mL 비커에 탈이온수를 채웁니다., 수위가 측면 암 아래 약 2-3cm가 될 때까지 600mL 비커에 물을 붓습니다.
알림: 물이 플라스크나 진공 라인에 들어가지 않도록 하십시오.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
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2홀 어댑터의 각 구멍에 테이퍼 잠금 어댑터가 장착되어 있는지 확인하십시오. 주변에서 빠져나가는 공기가 데이터에 영향을 미치므로 모든 어댑터가 단단히 장착되어 있는지 확인하십시오.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
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400mL 비커는 'waste', 50mL 비커는 '0.5 M Fe(NO3)3', 100mL 비커는 '3% w/w 과산화수소'로 표시합니다.
< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
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센서와 2방향 스톱콕의 연결이 느슨해지지 않도록 주의하면서 고무 마개를 필터 플라스크 입구에 끼웁니다.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
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압력을 1분 이상 모니터링하여 느린 누출이 없는지 확인합니다.
알림: 압력이 즉시 급격히 증가하기 시작하면 설정에 누출이 있는 것이므로 연결을 조이고 진공 라인이 닫혔을 때 압력이 10kPa로 유지될 때까지 다시 시도하십시오. -
5mL 주사기에 0.5M Fe(NO3)3를 뽑습니다. 용액만 포함되도록 주사기에서 모든 공기를 배출합니다.
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주사기를 2방향 마개 상단에 잠급니다. 이제 실내 온도 시험을 시작할 준비가 되었으므로 실험실 노트에 수온을 기록하십시오.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-21">
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데이터 수집이 완료되면 데이터를 저장합니다. 그런 다음 주사기를 분리하고 스톱콕을 열어 플라스크를 배출합니다.
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고무 마개를 꺼내고 클램프에서 온도계를 조심스럽게 제거하고 비커에서 플라스크를 제거한 다음 필터 플라스크에서 진공 튜브를 분리합니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-24">
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그런 다음 플라스크에 3% w/w 과산화수소 20mL를 추가합니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-29">
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데이터 수집이 완료되면 데이터를 저장하고 필터 플라스크를 환기시키고 청소한 다음 세 번째 시도를 설정합니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-35">
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이전과 같은 방법으로 세 번째 시도를 수행합니다. 스토퍼와 플라스크 내부를 건조시키고 데이터를 수집하기 전에 온도를 기록하는 것을 잊지 마십시오.
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해당 시험을 위해 데이터를 수집한 후 물을 약 40°C로 냉각하고 네 번째 시험을 수행합니다.
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-38">
핫 플레이트가 꺼져 있는지 확인한 다음 핫 플레이트에 600mL 비커를 놓습니다.온도계를 물에 담그고 끝이 플라스크의 외벽과 접촉하도록 제자리에 고정합니다. 현재 온도와 40, 60 및 80 °C 표시를 읽을 수 있는지 확인하십시오.스토퍼 어댑터 중 하나에 2방향 스톱콕을 잠급니다. 그런 다음 플렉시블 튜브의 한쪽 끝을 두 번째 어댑터에 잠그고 다른 쪽 끝을 가스 압력 센서의 커넥터에 잠급니다.< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">가스 압력 센서용 데이터 수집 장치를 켜고 압력이 kPa로 표시되는지 확인합니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">수집 속도를 초당 2개의 샘플로 설정하고 지속 시간을 300초로 설정합니다. 그런 다음 압력을 실시간으로 표시합니다.재사용할 유리 제품을 위한 깨끗한 공간으로 작업대에 종이 타월 몇 개를 놓습니다. 나중을 위해 종이 타월을 준비하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">그런 다음 50mL 및 100mL 비커를 원액 영역으로 가져옵니다. 30mL 비커에 약 30mL의 0.5M Fe(NO3)3를 붓고 100mL 비커에 3% w/w 과산화수소 100mL를 붓습니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">작업 공간으로 돌아가서 20mL 부피 피펫을 설정하고 3% w/w 과산화수소로 표시까지 채웁니다. 과산화수소를 필터 플라스크에 분배하고 부피 측정 피펫을 따로 보관합니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">과산화수소 용액 수준 아래의 플라스크와 접촉하도록 필요에 따라 온도계를 조정합니다.2방향 정지가 닫혀 있는지 확인합니다. 진공 라인을 열고 압력이 감소할 때 모니터링합니다. 이렇게 하면 마개가 플라스크에 밀봉됩니다. 압력이 10kPa에 도달하면 진공을 닫습니다.가스 압력 데이터 수집을 시작합니다. 장치가 약 15초 동안 데이터를 기록하도록 한 다음 스톱콕을 열고 Fe(NO3)3이 모두 플라스크에 들어가면 빠르게 닫습니다. 관찰 된 압력 증가는 과산화수소의 분해에 의해 생성 된 산소 가스의 진화에서 비롯됩니다.플라스크를 폐기물 비커에 비웁니다. 측면 암에 액체가 들어가지 않도록 하십시오. 종이 타월로 플라스크 외부를 말리십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-25">플라스크 내부를 탈이온수로 헹구고 헹굼을 폐기물 비커에 붓습니다. 측면 암에 액체가 들어간 경우 종이 타월로 제거하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-26">플라스크를 진공 라인에 다시 연결하고 clamp온도계와 접촉하는 600mL 비커에 넣습니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-27">핫플레이트를 켜고 온도계가 80°C를 가리킬 때까지 플라스크 주변의 물을 가열합니다. 그런 다음 불을 끕니다.종이 타월로 마개를 말리십시오. 스토퍼가 비커의 목에 꼭 맞고 스토퍼가 플라스크에 맞는지 확인하기 위해 각 시도 후에 이 작업을 수행하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-30">스톱콕이 닫혀 있는지 확인하고 플라스크를 약 10kPa로 비웁니다. 그런 다음 진공 청소기를 닫고 누출이 없는지 확인합니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-31">5mL Fe(NO3)3 용액을 주사기에 넣고 주사기에서 공기를 배출한 다음 마개에 연결합니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-32">온도계에 표시된 온도를 실험실 노트북에 기록한 다음 데이터 수집을 시작하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-33">15초 정도 기다렸다가 이전과 같은 방식으로 Fe(NO3)3 솔루션을 소개합니다.
메모: 압력이 150kPa에 가까워지면 스토퍼가 튀어나올 수 있습니다!400mL 비커에 얼음을 채우고 얼음을 넣어 물을 약 60°C로 식힙니다.네 번의 시도를 모두 마치면 필터 플라스크를 비우고 마지막으로 폐기물 비커에 헹굽니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-39">초과 0.5M Fe(NO3)3 및 폐기물 비커의 내용물을 수철 폐기물로 표시된 용기에 폐기합니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-40">그런 다음 기기를 분해하고 남은 얼음, 물, 과산화수소를 싱크대에 붓습니다. 실험실의 표준 프로토콜에 따라 유리 제품을 세척하십시오. -
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과산화수소와 철의 분해는 단일 방정식으로 쉽게 설명할 수 없는 복잡한 다단계 과정입니다. 그러나 우리는 산소 생산 속도에서 겉보기 활성화 에너지를 추정하고 이를 촉매되지 않은 과정의 겉보기 활성화 에너지와 비교할 수 있습니다.
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< 데이터 하위 메모 항목 = "2-1">
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도달한 최대 압력을 식별하고 두 점 사이의 기울기를 결정합니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
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기울기는 범용 기체 상수에 대한 음의 활성화 에너지와 같으므로 기울기에 음의 범용 기체 상수를 곱하여 철 촉매 분해 반응의 겉보기 활성화 에너지를 얻습니다. 35–60 kJ/mol 범위의 값을 볼 수 있는데, 이는 철 촉매가 분해에 더 적은 에너지를 소비하도록 했기 때문입니다. 과산화수소의 촉매화되지 않은 분해의 겉보기 활성화 에너지는 약 78 – 88 kJ/mol입니다.
산소 생성 속도에 정비례하는 압력 변화율을 구합니다. 각 실험에 대해 시간에 대한 압력 플롯을 만들고 반응이 시작된 지점을 찾습니다.모든 온도에 대한 켈빈의 기울기와 해당 온도를 결정했으면 Arrhenius 방정식을 사용하여 이 반응의 겉보기 활성화 에너지를 추정합니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">켈빈 단위의 온도와 압력 변화율의 자연 로그의 역수를 취하십시오. 속도 상수 k는 본질적으로 압력의 변화와 동일하다는 것을 기억하십시오.< 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">Arrhenius 플롯을 만들고 선의 기울기를 찾으십시오. -
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Q1: 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.
Q2: 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.
Q3: 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.
Q4: 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.
Q5: 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.
Q6: 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.