Określanie praw szybkości i kolejności reakcji

1. Przygotowanie H₂O₂ Rozcieńczenia

1. Zapas 3% nadtlenku wodoru ma stężenie 0,882 M. Przygotuj 5 rozcieńczeń w zakresie od 0,882 M do 0,176 M (Tabela 1). Przygotuj te roztwory objętościowo, ale przygotuj je dodatkowo, ponieważ substancja rozpuszczona jest bardzo rozcieńczona, a objętości wody są dodawane.
2. Umieść roztwory w łaźni wodnej o stałej temperaturze lub pozostaw je na blacie, aby zrównoważyły się w temperaturze pokojowej. Zakres temperatur 20–25 °C (293–298 K) jest dobry dla tej reakcji.

Tabela 1. H₂O₂ roztworów.

2. Przygotowanie naczynia reakcyjnego

1. Aby określić objętość naczynia reakcyjnego, napełnij dużą probówkę do góry wodą i włóż gumowy korek z 1 otworem do probówki, aż będzie szczelna, a woda wypchnie boki i przez górę.
2. Zdjąć korek i wlać wodę do cylindra z podziałką, aby określić dokładną objętość wody. Jest to całkowita objętość naczynia reakcyjnego (probówki).

3. Pomiar wydzielania tlenu

1. Zastąp wodę 50 ml pierwszego roztworu nadtlenku wodoru i umieść go z powrotem w łaźni wodnej. Po wyrównaniu dodaj dysk reakcyjny pokryty platyną i uszczelnij układ korkiem podłączonym do czujnika ciśnienia gazu. Krążki te są powszechnie stosowane w systemach czyszczenia soczewek kontaktowych.
2. Po skonfigurowaniu czujnika ciśnienia do zbierania danych z prędkością 2 punktów/s uruchom eksperyment na 120 sekund. Do tego eksperymentu zalecany jest czujnik ciśnienia gazu z noniuszem, GPS-BTA.
3. Należy obserwować pęcherzyki, ponieważ nadtlenek rozkłada się na tlen, gaz i wodę. Zwolnij ciśnienie, wylej roztwór, spłucz i zastąp roztwór następnym roztworem nadtlenku wodoru. Powtarzaj pomiar ciśnienia gazu, aż wszystkie roztwory zostaną przetestowane.

4. Analiza danych

1. Przenieś wszystkie pliki danych ciśnienia w funkcji czasu do programu arkusza kalkulacyjnego.
2. Określanie początkowych wskaźników - załóżmy, że stężenie nadtlenku wodoru nie zmieniło się zbytnio w krótkim czasie eksperymentu. Dane reprezentują początkowy obszar liniowy eksperymentu kinetykicznego.
   1. Określ nachylenie, wykreślając ciśnienie w funkcji czasu i używając wzoru na nachylenie lub regresji liniowej. Wykreśl ciśnienie w dowolnej wspólnej jednostce.
   2. Nachylenie to początkowa szybkość w jednostkach ciśnienia_O2/s.
3. Określanie kolejności reakcji
   1. Ponieważ ciśnienie wyewoluowanego O₂ jest wprost proporcjonalne do moli rozłożonych H₂O₂, wykreślenie ln(początkowej stawki) vs. ln[H₂O₂]₀ daje nachylenie równoważne kolejności reakcji. Początkowe stężenie nadtlenku wodoru, [H₂O₂]₀, jest tym, co zostało użyte w każdej z prób.
      1. Równanie dla prawa stawki to . Przyjęcie logarytmu naturalnego (ln) równania daje równanie liniowe , gdzie m, nachylenie jest porządkiem reakcji.

4. Wyznaczanie stałej szybkości, k
   1. Dla każdej próby przelicz szybkość, P_O2/s, na jednostki atm/s, jeśli szybkość jest w innej jednostce, takiej jak torr/s.
   2. Ponieważ pęcherzyki wydzielały się w roztworze wodnym, odejmij ciśnienie pary wody od ciśnienia układu dla każdej próby. Nowa szybkość odzwierciedla tylko ciśnienie spowodowane wydzielaniem tlenu.
   3. Zastosuj prawo gazu doskonałego, aby przeliczyć szybkość z atm/s na mole/s w każdej próbie.
      1. Przegrupuj PV = nRT na n = PV/RT. Jednostka s^-1 pozostaje niezmieniona. Objętość jest równoważna objętości probówki pomniejszonej o objętość roztworu (50 ml).
   4. Użyj zrównoważonej reakcji chemicznej, aby przekształcić mole wyprodukowanego tlenu w mole nadtlenku wodoru rozłożonego w każdej próbie.
   5. Podziel mole H₂O₂ przez objętość roztworu, 0,050 L, aby uzyskać molowość H₂O₂ rozkładając na sekundę, [H₂O₂]/s.
   6. Ponieważ ten eksperyment jest zgodny z kinetyką pierwszego rzędu, podziel szybkość, [H₂O₂]/s, przez pierwotne stężenie roztworu dla każdej próby, [H₂O₂]₀, aby uzyskać stałą szybkości, k. To rozwiązanie dla stałej szybkości różniłoby się nieznacznie w zależności od wcześniej określonej kolejności reakcji.
   7. Uśrednij razem stałe szybkości dla każdej próby, ponieważ temperatura jest stała.