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.

Zależność od temperatury

Koncepcje Przygotowanie instruktora Protokół studencki

0 wyświetleń03:17 min

Miara szybkości reakcji nazywana jest szybkością reakcji. Szybkość reakcji chemicznej jest definiowana przez prawo szybkości, które opisuje zależność między szybkością reakcji a stężeniami reagentów. W tym równaniu k jest stałą szybkości, A i B to dwa reagenty, a m i n to ich odpowiednie rzędy reakcji.

Stała szybkości konwertuje relację na odpowiednie jednostki szybkości, mole na litr na sekundę. W związku z tym stała szybkości ma różne jednostki, w zależności od ogólnej kolejności reakcji. Jednak stała szybkości ma większe znaczenie niż tylko konwersja jednostek. Stała szybkości jest związana z minimalną ilością energii wymaganej do zajścia reakcji chemicznej - zwaną energią aktywacji.

W reakcji reagenty znajdują się w początkowym stanie energii potencjalnej. W miarę postępu reakcji musi ona pokonać pewną energię potencjalną, energię aktywacji, zanim osiągnie stan końcowy. Energia wypadkowa reakcji to różnica między stanem początkowym i końcowym. Różnica ta może być ujemna, co oznacza, że reakcja uwalnia energię, lub dodatnia, co oznacza, że pochłania energię.

Jeśli nie ma wystarczającej ilości energii, aby pokonać energię aktywacji, reakcja nie będzie postępować. W niektórych przypadkach energia może być dostarczana w postaci ciepła. Zapewnia to dodatkową energię do pokonania bariery aktywacji, a reakcja może przebiegać. Można również dodać katalizator, który zapewnia alternatywną ścieżkę o niższej energii aktywacji między reagentami a produktami.

Katalizatory nie są zużywane w reakcji, a zatem nie wpływają na energię netto reakcji. Energia aktywacji jest określana doświadczalnie i jest powiązana ze stałą reakcji k za pomocą równania Arrheniusa, gdzie A jest współczynnikiem przedwykładniczym lub częstotliwościowym, R jest uniwersalną stałą gazową, a T jest temperaturą bezwzględną, w której zachodzi reakcja.

Z tego równania wiemy, że zwiększenie temperatury reakcji lub zmniejszenie energii aktywacji zwiększa stałą szybkości. Wracając do równania prawa szybkości, wynika z tego, że wyższa stała szybkości powoduje wyższą szybkość reakcji. Ma to sens, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki poruszają się szybciej i częściej się zderzają ze sobą, co skutkuje zwiększoną frakcją cząsteczek o wyższej energii niż energia aktywacji.

W tym laboratorium nauczysz się, jak eksperymentalnie zmierzyć energię aktywacji reakcji, wykorzystując rozkład nadtlenku wodoru jako reakcję modelową.

Print Procedure Steps

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

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

Rozkład nadtlenku wodoru zależny od temperatury
Sugerujemy, aby uczniowie pracowali w parach w tym eksperymencie. Sterowanie sprzętem może się różnić.

W tym laboratorium przeprowadzisz reakcję rozkładu, w której pojedynczy związek rozpada się na dwa lub więcej prostszych produktów. Zaobserwujesz rozkład nadtlenku wodoru na wodę i tlen. Ten rozkład zachodzi bardzo powoli, więc będziesz używać azotanu żelaza (III) jako katalizatora, aby obniżyć energię aktywacji.

Podczas tego procesu żelazo ulega reakcji redoks, a następnie powraca do wyjściowego stopnia utlenienia. Będziesz mógł to zobaczyć jako zmianę koloru w swoim roztworze podczas reakcji. Wykonasz tę samą reakcję w czterech różnych temperaturach i będziesz śledzić szybkość reakcji, rejestrując ciśnienie wewnątrz kolby. W ten sposób możesz zmierzyć, jak szybko tlen został wyprodukowany w każdym eksperymencie. Użyjesz tego do obliczenia energii aktywacji reakcji.

Tabela 1. Oszacuj pozorną energię aktywacji dla rozkładu nadtlenku wodoru

proces Temperatura (°C) ΔP (kPa/s) 1/T ln (ΔP)
1
cyfra arabska
3
4

Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 1
- Zanim rozpoczniesz ten eksperyment, załóż fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice nitrylowe.
- Upewnij się, że płyta grzewcza jest wyłączona, a następnie umieść na niej zlewkę o pojemności 600 ml.
- Podłącz rurkę próżniową do kolczastego ramienia bocznego kolby filtracyjnej Büchnera o pojemności 125 ml i ostrożnie zaciśnij kolbę filtra w zlewce 600 ml tak, aby boczne ramię znajdowało się tuż nad górną częścią zlewki.
- Napełnij 400-mililitrową zlewkę dejonizowaną wodą., i wlej wodę do zlewki o pojemności 600 ml, aż poziom wody znajdzie się około 2-3 cm poniżej bocznego ramienia.
  UWAGA: Upewnij się, że woda nie jest w stanie dostać się do kolby lub przewodu próżniowego.
- Zanurz termometr w wodzie, zaciskając go tak, aby koniec stykał się z zewnętrzną ścianką kolby. Upewnij się, że możesz odczytać aktualną temperaturę, a także oznaczenia 40, 60 i 80 °C.
- Upewnij się, że każdy otwór adaptera z 2 otworami jest wyposażony w stożkowy adapter blokujący. Sprawdź, czy wszystkie adaptery są dobrze osadzone, ponieważ każde powietrze, które wydostaje się wokół nich, wpłynie na Twoje dane.
- Zablokuj 2-kierunkowy zawór odcinający w jednym z adapterów blokujących. Następnie zablokuj jeden koniec elastycznej rurki w drugim adapterze, a drugi koniec w złączu czujnika ciśnienia gazu.
- Włącz urządzenie do zbierania danych dla czujnika ciśnienia gazu i upewnij się, że ciśnienie jest wyświetlane w kPa.
- Ustaw szybkość akwizycji na dwie próbki na sekundę, a czas trwania na 300 s. Następnie wyświetlaj ciśnienie w czasie rzeczywistym.
- Oznacz zlewkę o pojemności 400 ml jako 'odpad', zlewkę o pojemności 50 ml jako '0,5 M Fe(NO₃)₃', a zlewkę 100 ml jako '3% w/w nadtlenek wodoru'.
- Umieść kilka ręczników papierowych na powierzchni roboczej jako czyste miejsce na szkło, które będziesz ponownie używać. Miej pod ręką zapas ręczników papierowych na później.
- Następnie przynieś zlewki o pojemności 50 ml i 100 ml do obszaru roztworu podstawowego. Wlać około 30 ml 0,5 M Fe(NO₃)₃ do zlewki o pojemności 50 ml i 100 ml nadtlenku wodoru o stężeniu 3% wagowym do zlewki o pojemności 100 ml.
- Wróć do swojego miejsca pracy, ustaw pipetę objętościową o pojemności 20 ml i napełnij ją do kreski 3% w/w nadtlenku wodoru. Dozować nadtlenek wodoru do kolby filtracyjnej i odłożyć pipetę miarową na bok.
- Dostosuj termometr tak, aby stykał się z kolbą poniżej poziomu roztworu nadtlenku wodoru.
- Umieść gumowy korek w otworze kolby filtra, uważając, aby nie poluzować połączeń z czujnikiem i 2-drogowym kurkiem.
- Sprawdź, czy 2-kierunkowy ogranicznik jest zamknięty. Otwórz przewód podciśnieniowy i monitoruj ciśnienie w miarę jego spadku. Spowoduje to uszczelnienie korka w kolbie. Gdy ciśnienie osiągnie 10 kPa, zamknij próżnię.
- Monitoruj ciśnienie przez co najmniej 1 minutę, aby upewnić się, że nie ma powolnych wycieków.
  UWAGA: Jeśli ciśnienie natychmiast zacznie gwałtownie rosnąć, oznacza to, że w konfiguracji jest nieszczelność, więc dokręć połączenia i spróbuj ponownie, aż ciśnienie utrzyma się na poziomie 10 kPa, gdy przewód podciśnieniowy jest zamknięty.
- Pobrać 5 ml 0,5 M Fe(NO₃)₃ do strzykawki o pojemności 20 ml. Usunąć całe powietrze ze strzykawki, tak aby zawierał tylko roztwór.
- Zablokuj strzykawkę w górnej części 2-kierunkowego zaworu odcinającego. Jesteś teraz gotowy do rozpoczęcia próby w temperaturze pokojowej, więc zapisz temperaturę wody w swoim notatniku laboratoryjnym.
- Zacznij zbierać dane o ciśnieniu gazu. Pozwól urządzeniu rejestrować dane przez około 15 s, a następnie otwórz kran i szybko go zamknij, gdy cały Fe(NO₃)₃ dostanie się do kolby. Obserwowany wzrost ciśnienia wynika z wydzielania się tlenu gazowego wytwarzanego przez rozkład nadtlenku wodoru.
- Po zakończeniu zbierania danych, zapisz swoje dane. Następnie odłączyć strzykawkę i otworzyć zawór odcinający, aby odpowietrzyć kolbę.
- Wyjmij gumowy korek, ostrożnie wyjmij termometr z zacisku i kolbę ze zlewki, a następnie odłącz rurkę próżniową od kolby filtra.
- Opróżnij kolbę do zlewki na odpady. Staraj się, aby płyn nie dostał się do ramienia bocznego. Osuszyć zewnętrzną część kolby ręcznikami papierowymi.
- Wypłucz wnętrze kolby wodą dejonizowaną i wlej płyn do zlewki na odpady. Jeśli jakikolwiek płyn dostanie się do bocznego ramienia, usuń go ręcznikami papierowymi.
- Podłącz ponownie kolbę do przewodu próżniowego i zaciśnij ją w zlewce o pojemności 600 ml stykającej się z termometrem.
- Włącz płytę grzejną i podgrzewaj wodę wokół kolby, aż termometr wskaże 80 °C. Następnie wyłącz ogrzewanie.
- Następnie dodaj 20 ml 3% w/w nadtlenku wodoru do kolby.
- Osusz korek ręcznikiem papierowym. Robić to po każdej próbie, aby upewnić się, że korek jest dobrze dopasowany do szyjki zlewki i że korek jest dobrze osadzony w kolbie.
- Sprawdź, czy kran jest zamknięty i opróżnij kolbę do około 10 kPa. Następnie zamknij odkurzacz i upewnij się, że nie ma wycieków.
- Pobrać 5 ml roztworu Fe(NO₃)₃ do strzykawki, usunąć powietrze ze strzykawki i podłączyć ją do kurka.
- Zapisz temperaturę pokazaną na termometrze w swoim notatniku laboratoryjnym, a następnie zacznij zbierać dane.
- Poczekaj około 15 s i wprowadź roztwór Fe(NO₃)₃ w taki sam sposób jak poprzednio.
  nuta: Gdy ciśnienie zbliża się do 150 kPa, korek może odskoczyć!
- Po zakończeniu zbierania danych, zapisz dane, odpowietrz i wyczyść kolbę filtra, a następnie przygotuj się do trzeciej próby.
- Napełnij zlewkę o pojemności 400 ml lodem i dodaj trochę, aby schłodzić wodę do około 60 °C.
- Wykonaj trzecią próbę w taki sam sposób jak poprzednio. Należy pamiętać o wysuszeniu korka i wnętrza kolby oraz o zarejestrowaniu temperatury przed pobraniem danych.
- Po zebraniu danych do tej próby, schłodzić wodę do około 40 °C i przeprowadzić czwartą próbę.
- Po zakończeniu wszystkich czterech prób, opróżnij kolbę filtrującą i przepłucz ją do zlewki na odpady po raz ostatni.
- Nadmiar 0,5 M Fe(NO₃)₃ i zawartość zlewki na odpady należy wyrzucić do pojemnika przeznaczonego na wodne odpady żelazne.
- Następnie zdemontuj aparaturę i wlej resztki lodu, wody i wody utlenku do zlewu. Umyj szklane naczynia zgodnie ze standardowym protokołem laboratorium.
WynikiRozwiń
Rozkład nadtlenku wodoru z żelazem to złożony, wieloetapowy proces, którego nie możemy łatwo opisać w jednym równaniu. Możemy jednak oszacować pozorną energię aktywacji wynikającą z szybkości produkcji tlenu i porównać ją z pozorną energią aktywacji procesu niekatalizowanego.
- Znajdź szybkość zmiany ciśnienia, która jest wprost proporcjonalna do szybkości produkcji tlenu. Dla każdego eksperymentu sporządź wykres ciśnienia w odniesieniu do czasu i znajdź punkt, w którym rozpoczęła się reakcja.
- Zidentyfikuj maksymalne osiągnięte ciśnienie i określ nachylenie między dwoma punktami.
- Po ustaleniu nachylenia i odpowiadających im temperatur w kelwinach dla wszystkich temperatur, użyj równania Arrheniusa, aby oszacować pozorną energię aktywacji tej reakcji.
- Weźmy odwrotność temperatur w kelwinach i logarytm naturalny szybkości zmian ciśnienia. Należy pamiętać, że stała szybkości k jest zasadniczo równa zmianie ciśnienia.
- Zrób wykres Arrheniusa i znajdź nachylenie linii.
- Nachylenie jest równe ujemnej energii aktywacji w stosunku do uniwersalnej stałej gazowej, więc pomnóż nachylenie przez ujemną uniwersalną stałą gazową, aby uzyskać pozorną energię aktywacji reakcji rozkładu katalizowanego żelazem. Zobaczysz wartość w zakresie 35-60 kJ/mol, ponieważ katalizator żelaza sprawił, że rozkład pochłania mniej energii. Pozorna energia aktywacji niekatalizowanego rozkładu nadtlenku wodoru wynosi około 78 – 88 kJ/mol.