Zależność od temperatury

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

1. Rozkład nadtlenku wodoru zależny od temperaturyRozwiń

   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.
2. 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.

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 użyjesz azotanu żelaza 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. Przed rozpoczęciem tego eksperymentu załóż fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice nitrylowe. Teraz upewnij się, że płyta grzejna jest wyłączona, a następnie umieść 600-mililitrową zlewkę na płycie grzejnej. Następnie podłącz rurkę próżniową do kolczastego ramienia bocznego 125-mililitrowego B