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.

Dependência da temperatura

Conceitos Preparação do instrutor Protocolo do estudante

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A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. A taxa de uma reação química é definida pela lei da taxa, que descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação.

A constante de taxa converte a relação para as unidades adequadas de taxa, moles por litro por segundo. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem geral da reação. No entanto, a constante de taxa tem mais significado do que simplesmente a conversão de unidades. A constante de taxa está relacionada à quantidade mínima de energia necessária para que uma reação química ocorra - chamada de energia de ativação.

Em uma reação, os reagentes estão em um estado inicial de energia potencial. À medida que a reação prossegue, ela deve superar uma certa energia potencial, a energia de ativação, antes de atingir seu estado final. A energia líquida da reação é a diferença entre os estados inicial e final. Essa diferença pode ser negativa, o que significa que a reação libera energia, ou positiva, o que significa que absorve energia.

Se não houver energia suficiente disponível para superar a energia de ativação, a reação não prosseguirá. Em alguns casos, a energia pode ser fornecida na forma de calor. Isso fornece energia adicional para superar a barreira à ativação, e a reação pode prosseguir. Um catalisador também pode ser adicionado, o que fornece uma via alternativa de menor energia de ativação entre os reagentes e os produtos.

Os catalisadores não são consumidos na reação e, portanto, não afetam a energia líquida da reação. A energia de ativação é determinada experimentalmente e está relacionada à constante de reação k pela equação de Arrhenius, onde A é o fator pré-exponencial ou de frequência, R é a constante universal do gás e T é a temperatura absoluta na qual a reação ocorre.

A partir dessa equação, sabemos que aumentar a temperatura da reação ou diminuir a energia de ativação aumenta a constante de taxa. Voltando à equação da lei de taxa, segue-se que uma constante de taxa mais alta resulta em uma taxa de reação mais alta. Isso faz sentido porque, à medida que a temperatura aumenta, as moléculas se movem mais rápido e colidem com mais frequência, resultando em uma fração aumentada de moléculas com maior energia do que a energia de ativação.

Neste laboratório, você aprenderá a medir a energia de ativação de uma reação experimentalmente usando a decomposição do peróxido de hidrogênio como reação modelo.

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Fonte: Smaa Koraym na Universidade Johns Hopkins, MD, EUA

Decomposição dependente da temperatura do peróxido de hidrogênio
Sugerimos que os alunos trabalhem em pares para este experimento. Os controles do equipamento podem variar.

Neste laboratório, você realizará uma reação de decomposição em que um único composto se decompõe em dois ou mais produtos mais simples. Você observará a decomposição do peróxido de hidrogênio em água e oxigênio. Essa decomposição acontece muito lentamente, então você usará nitrato de ferro (III) como catalisador para diminuir a energia de ativação.

Durante esse processo, o ferro sofre uma reação redox e depois retorna ao seu estado inicial de oxidação. Você poderá ver isso como uma mudança de cor em sua solução durante a reação. Você realizará a mesma reação em quatro temperaturas diferentes e acompanhará a taxa da reação registrando a pressão dentro do frasco. Dessa forma, você pode medir a rapidez com que o oxigênio foi produzido em cada experimento. Você usará isso para calcular a energia de ativação da reação.

Tabela 1. Estimar a energia de ativação aparente para a decomposição do peróxido de hidrogênio

julgamento Temperatura (°C) ΔP (kPa/s) 1/T ln (ΔP)
1
algarismo
3
4

Clique aqui para baixar a Tabela 1
- Antes de iniciar este experimento, coloque um jaleco, óculos de segurança e luvas de nitrilo.
- Certifique-se de que sua placa quente esteja desligada e, em seguida, coloque um béquer de 600 mL na placa quente.
- Conecte o tubo de vácuo à pistola farpada de um frasco de filtro Büchner de 125 mL e prenda cuidadosamente o frasco do filtro no béquer de 600 mL de modo que a pistola fique logo acima da parte superior do béquer.
- Encha um copo de 400 mL com água deionizada., e despeje a água no copo de 600 mL até que o nível da água esteja cerca de 2–3 cm abaixo do braço lateral.
  NOTA: Certifique-se de que a água não consegue entrar no frasco ou na linha de vácuo.
- Mergulhe o termômetro na água, prendendo-o no lugar de forma que a extremidade fique em contato com a parede externa do balão. Certifique-se de que consegue ler a temperatura atual, bem como as marcas de 40, 60 e 80 °C.
- Certifique-se de que cada orifício do adaptador de 2 orifícios esteja equipado com um adaptador de travamento cônico. Verifique se todos os adaptadores estão firmemente encaixados, pois qualquer ar que escape ao redor deles afetará seus dados.
- Trave uma torneira de 2 vias em um dos adaptadores de rolha. Em seguida, trave uma extremidade do tubo flexível no segundo adaptador com a outra extremidade no conector do sensor de pressão do gás.
- Ligue o dispositivo de aquisição de dados para o sensor de pressão do gás e certifique-se de que a pressão seja exibida em kPa.
- Defina a taxa de aquisição para duas amostras por segundo e a duração para 300 s. Em seguida, exiba a pressão em tempo real.
- Rotule um copo de 400 mL como 'resíduo', um copo de 50 mL como '0.5 M Fe(NO₃)₃' e um copo de 100 mL como 'peróxido de hidrogênio a 3% p/p'.
- Coloque algumas toalhas de papel na superfície de trabalho como uma área limpa para copos que você reutilizará. Mantenha um estoque de toalhas de papel à mão para mais tarde.
- Em seguida, traga os copos de 50 mL e 100 mL para a área de solução de estoque. Despeje cerca de 30 mL de Fe (NO₃) ₃ 0,5 M no béquer de 50 mL e 100 mL de peróxido de hidrogênio a 3% p / p no béquer de 100 mL.
- De volta ao seu espaço de trabalho, configure uma pipeta volumétrica de 20 mL e encha-a até a marca com 3% p/p de peróxido de hidrogênio. Distribuir o peróxido de hidrogénio para o balão filtrante e colocar a pipeta volumétrica de lado.
- Ajuste o termômetro conforme necessário para que ele entre em contato com o frasco abaixo do nível da solução de peróxido de hidrogênio.
- Encaixe a rolha de borracha na boca do balão do filtro, tomando cuidado para não afrouxar as conexões do sensor e da torneira de 2 vias.
- Verifique se a parada de 2 vias está fechada. Abra a linha de vácuo e monitore a pressão à medida que ela diminui. Isso selará a rolha no frasco. Quando a pressão atingir 10 kPa, feche o vácuo.
- Monitore a pressão por pelo menos 1 min para confirmar se não há vazamentos lentos.
  NOTA: Se a pressão começar a aumentar rapidamente imediatamente, há um vazamento em sua configuração, então aperte as conexões e tente novamente até que a pressão se mantenha em 10 kPa quando a linha de vácuo estiver fechada.
- Aspire 5 mL de Fe(NO₃)₃ 0,5 M em uma seringa de 20 mL. Expulse todo o ar da seringa para que contenha apenas a solução.
- Trave a seringa na parte superior da torneira de 2 vias. Agora você está pronto para iniciar o teste de temperatura ambiente, então registre a temperatura da água em seu caderno de laboratório.
- Comece a adquirir dados de pressão de gás. Permitir que o aparelho registe os dados durante cerca de 15 s, abrir a torneira e fechá-la rapidamente assim que todo o Fe(NO₃)₃ tiver entrado no balão. O aumento observado na pressão é da evolução do gás oxigênio produzido pela decomposição do peróxido de hidrogênio.
- Quando a coleta de dados terminar, salve seus dados. Em seguida, desligue a seringa e abra a torneira para ventilar o frasco.
- Retire a rolha de borracha, remova cuidadosamente o termômetro da braçadeira e o frasco do béquer e desconecte o tubo de vácuo do frasco do filtro.
- Esvaziar o balão no copo de resíduos. Tente não colocar líquido no braço lateral. Seque a parte externa do frasco com papel toalha.
- Lavar o interior do balão com água desionizada e deitar o enxaguamento no copo de resíduos. Se algum líquido entrar no braço lateral, remova-o com toalhas de papel.
- Reconecte o frasco à linha de vácuo e prenda-o no béquer de 600 mL em contato com o termômetro.
- Ligue a placa de aquecimento e aqueça a água à volta do balão até que o termómetro indique 80 °C. Em seguida, desligue o fogo.
- Em seguida, adicionar 20 ml de peróxido de hidrogénio a 3% p/p ao balão.
- Seque a rolha com papel toalha. Efectuar isto após cada ensaio para garantir que a rolha se encaixa bem no gargalo do copo e que a rolha se encaixa no balão.
- Verificar se a torneira está fechada e evacuar o balão a cerca de 10 kPa. Em seguida, feche o aspirador e confirme se não há vazamentos.
- Aspire 5 ml de solução de Fe(NO₃)₃ para a seringa, expulse o ar da seringa e ligue-a à torneira.
- Registre a temperatura mostrada no termômetro em seu caderno de laboratório e, em seguida, comece a coletar dados.
- Aguarde cerca de 15 s e introduza a solução Fe(NO₃)₃ da mesma forma que antes.
  nota: À medida que a pressão se aproxima de 150 kPa, a rolha pode estourar!
- Após a conclusão da coleta de dados, salve os dados, ventile e limpe o frasco do filtro e prepare-se para o terceiro teste.
- Encha o copo de 400 ml com gelo e adicione um pouco para arrefecer a água até cerca de 60 °C.
- Execute o terceiro teste da mesma forma que antes. Esquecer de secar a rolha e o interior do balão e de registar a temperatura antes da recolha de dados.
- Depois de recolhidos os dados para esse ensaio, arrefecer a água a cerca de 40 °C e realizar o quarto ensaio.
- Depois de terminar os quatro ensaios, esvaziar o frasco filtrante e lavá-lo no copo de resíduos uma última vez.
- Descarte qualquer excesso de 0.5 M Fe(NO₃)₃ e o conteúdo do copo de resíduos em um recipiente rotulado para resíduos aquosos de ferro.
- Em seguida, desmonte o aparelho e despeje o restante de gelo, água e peróxido de hidrogênio na pia. Lave seus copos seguindo o protocolo padrão do seu laboratório.
Results
A decomposição do peróxido de hidrogênio com ferro é um processo complexo de várias etapas que não podemos descrever facilmente em uma única equação. No entanto, podemos estimar a energia de ativação aparente a partir da taxa de produção de oxigênio e compará-la com a energia de ativação aparente do processo não catalisado.
- Encontre a taxa de mudança de pressão, que é diretamente proporcional à taxa de produção de oxigênio. Para cada experimento, faça um gráfico de pressão em relação ao tempo e encontre o ponto onde a reação começou.
- Identifique a pressão máxima atingida e determine a inclinação entre os dois pontos.
- Depois de determinar as inclinações e as temperaturas correspondentes em Kelvin para todas as temperaturas, use a equação de Arrhenius para estimar a energia de ativação aparente dessa reação.
- Pegue o recíproco das temperaturas em Kelvin e o log natural da taxa de mudança de pressão. Lembre-se de que a constante de taxa k é essencialmente igual à mudança na pressão.
- Faça um gráfico de Arrhenius e encontre a inclinação da linha.
- A inclinação é igual à energia de ativação negativa sobre a constante universal do gás, então multiplique a inclinação pela constante universal negativa do gás para obter a energia de ativação aparente da reação de decomposição catalisada pelo ferro. Você verá um valor na faixa de 35 a 60 kJ/mol porque o catalisador de ferro fez com que a decomposição consumisse menos energia. A energia de ativação aparente da decomposição não catalisada do peróxido de hidrogênio é de cerca de 78 – 88 kJ/mol.