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.

Температурная зависимость

Концепции Подготовка преподавателя Протокол студента

0 просмотров03:17 мин

Мера того, насколько быстро протекает реакция, называется скоростью реакции. Скорость химической реакции определяется законом скорости, который описывает соотношение между скоростью реакции и концентрациями реагентов. В этом уравнении k — константа скорости, A и B — два реагента, а m и n — соответствующие порядки реакций.

Константа скорости преобразует отношение в собственные единицы скорости, моли на литр в секунду. Таким образом, константа скорости имеет различные единицы измерения, в зависимости от общего порядка реакции. Однако константа скорости имеет большее значение, чем просто преобразование единиц измерения. Константа скорости связана с минимальным количеством энергии, необходимым для протекания химической реакции, называемым энергией активации.

В ходе реакции реагенты находятся в начальном состоянии потенциальной энергии. По мере того, как реакция протекает, она должна преодолеть определенную потенциальную энергию, энергию активации, прежде чем достигнет своего конечного состояния. Суммарная энергия реакции — это разница между начальным и конечным состояниями. Эта разница может быть отрицательной, что означает, что реакция высвобождает энергию, или положительной, что означает, что она поглощает энергию.

Если энергии недостаточно для преодоления энергии активации, реакция не будет продолжаться. В некоторых случаях энергия может подаваться в виде тепла. Это дает дополнительную энергию для преодоления барьера на пути активации, и реакция может протекать. Также может быть добавлен катализатор, который обеспечивает альтернативный путь с более низкой энергией активации между реагентами и продуктами.

Катализаторы не расходуются в реакции и, следовательно, не влияют на суммарную энергию реакции. Энергия активации определяется экспериментально и связана с константой реакции k уравнением Аррениуса, где A — предэкспоненциальный или частотный коэффициент, R — универсальная газовая постоянная, а T — абсолютная температура, при которой протекает реакция.

Из этого уравнения мы знаем, что увеличение температуры реакции или уменьшение энергии активации увеличивает константу скорости. Возвращаясь к уравнению закона скорости, следует, что более высокая константа скорости приводит к более высокой скорости реакции. Это имеет смысл, потому что по мере повышения температуры молекулы движутся быстрее и сталкиваются чаще, что приводит к увеличению доли молекул с энергией, превышающей энергию активации.

В этой лабораторной работе вы узнаете, как измерить энергию активации реакции экспериментально с использованием разложения перекиси водорода в качестве модельной реакции.

Print Procedure Steps

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

Температурно-зависимое разложение перекиси водорода<кнопка class="развернуть">Развернуть
Мы предлагаем учащимся поработать в парах для проведения этого эксперимента. Управление оборудованием может отличаться.

В этой лаборатории вы проведете реакцию разложения, в ходе которой одно соединение распадается на два или более простых продукта. Вы будете наблюдать разложение перекиси водорода на воду и кислород. Это разложение происходит очень медленно, поэтому вы будете использовать нитрат железа (III) в качестве катализатора для снижения энергии активации.

Во время этого процесса железо вступает в окислительно-восстановительную реакцию, а затем возвращается в исходное состояние окисления. Вы сможете увидеть это как изменение цвета вашего раствора во время реакции. Вы будете выполнять одну и ту же реакцию при четырех разных температурах и отслеживать скорость реакции, записывая давление внутри колбы. Таким образом, вы можете измерить, как быстро был произведен кислород в каждом эксперименте. Вы будете использовать его для вычисления энергии активации реакции.

Таблица 1. Оценка кажущейся энергии активации при разложении перекиси водорода

испытание Температура (°C) ΔP (кПа/с) 1/т ln (ΔP)
1
2
3
4

Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
- Перед началом этого эксперимента наденьте лабораторный халат, защитные очки и нитриловые перчатки.
- Убедитесь, что ваша конфорка выключена, а затем положите на нее стакан объемом 600 мл.
- Подсоедините вакуумную трубку к колбе с колбой фильтра Büchner объемом 125 мл и осторожно зажмите колбу с фильтром в стакане объемом 600 мл так, чтобы она оказалась прямо над верхней частью стакана.
- Наполните стакан объемом 400 мл деионизированной водой., и налейте воду в стакан объемом 600 мл, пока уровень воды не станет примерно на 2–3 см ниже бокового рукава.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что вода не может попасть в колбу или вакуумную линию.
- Погрузите термометр в воду, зажав его так, чтобы конец соприкасался с внешней стенкой колбы. Убедитесь, что вы можете прочитать текущую температуру, а также отметки 40, 60 и 80 °C.
- Убедитесь, что каждое отверстие адаптера с 2 отверстиями оснащено коническим фиксирующим адаптером. Убедитесь, что все адаптеры надежно закреплены, так как любой воздух, выходящий вокруг них, повлияет на ваши данные.
- Заблокируйте 2-позиционный запорный кран в одном из адаптеров стопора. Затем зафиксируйте один конец гибкой трубки во втором адаптере, а другой конец — в разъеме датчика давления газа.
- Включите устройство сбора данных для датчика давления газа и убедитесь, что давление отображается в кПа.
- Установите скорость сбора данных на два образца в секунду и продолжительность на 300 с. Затем отобразите давление в режиме реального времени.
- Пометьте стакан объемом 400 мл как 'отходы', стакан объемом 50 мл как '0,5 M Fe(NO₃)₃', а стакан объемом 100 мл как '3% с перекисью водорода'.
- Положите несколько бумажных полотенец на рабочую поверхность в качестве чистой зоны для стеклянной посуды, которую вы будете использовать повторно. Держите под рукой запас бумажных полотенец на потом.
- Затем поднесите стаканы объемом 50 мл и 100 мл к области стокового раствора. Налейте около 30 мл 0,5 М Fe(NO₃)₃ в стакан объемом 50 мл и 100 мл 3% перекиси водорода в стакан объемом 100 мл.
- Вернитесь на свое рабочее место, установите объемный дозатор объемом 20 мл и заполните его до отметки 3% по мас.% перекиси водорода. Налейте перекись водорода в колбу с фильтром и отложите объемную пипетку в сторону.
- Отрегулируйте термометр по мере необходимости, чтобы он соприкасался с колбой ниже уровня раствора перекиси водорода.
- Установите резиновую пробку в горловину фильтрующей колбы, стараясь не ослабить соединения с датчиком и 2-позиционным запорным краном.
- Проверьте, что 2-сторонняя остановка закрыта. Откройте вакуумную линию и следите за давлением по мере его снижения. Это позволит запечатать пробку в колбе. Как только давление достигнет 10 кПа, закройте вакуум.
- Следите за давлением не менее 1 минуты, чтобы убедиться, что нет медленных утечек.
  ПРИМЕЧАНИЕ: Если давление сразу же начинает быстро увеличиваться, в вашей установке есть утечка, поэтому затяните соединения и повторите попытку, пока давление не удержится на уровне 10 кПа при закрытой вакуумной линии.
- Наберите 5 мл 0,5 M Fe(NO₃)₃ в шприц объемом 20 мл. Выдавите весь воздух из шприца так, чтобы в нем был только раствор.
- Зафиксируйте шприц в верхней части 2-позиционного запорного крана. Теперь вы готовы начать испытание температуры в помещении, поэтому запишите температуру воды в лабораторный блокнот.
- Начните сбор данных о давлении газа. Дайте устройству записывать данные в течение примерно 15 с, затем откройте запорный кран и быстро закройте его, как только все Fe(NO₃)₃ поступит в колбу. Наблюдаемое повышение давления происходит в результате выделения газообразного кислорода, образующегося в результате разложения перекиси водорода.
- Как только сбор данных завершится, сохраните свои данные. Затем отсоедините шприц и откройте запорный кран, чтобы выпустить флягу.
- Выньте резиновую пробку, осторожно извлеките термометр из зажима и колбу из стакана, а также отсоедините вакуумную трубку от колбы фильтра.
- Высыпайте колбу в стакан для отходов. Старайтесь не попадать жидкостью в боковое плечо. Высушите колбу снаружи бумажными полотенцами.
- Промойте внутреннюю часть колбы деионизированной водой и вылейте ополаскиватель в стакан для отходов. Если в боковой рычаг попала какая-либо жидкость, удалите ее бумажными полотенцами.
- Снова подключите колбу к вакуумной линии и зажмите ее в стакане объемом 600 мл, соприкасающемся с термометром.
- Включите плиту и нагрейте воду вокруг колбы, пока термометр не покажет 80 °C. Затем выключите огонь.
- Затем добавьте в колбу 20 мл 3% перекиси водорода.
- Высушите пробку бумажными полотенцами. Делайте это после каждой попытки, чтобы убедиться, что пробка плотно прилегает к горлышку стакана и помещается в колбу.
- Убедитесь, что запорный кран закрыт, и опорожните колбу примерно до 10 кПа. Затем закройте пылесос и убедитесь, что утечек нет.
- Наберите 5 мл раствора Fe(NO₃)₃ в шприц, выдавите воздух из шприца и подключите его к запорному крану.
- Запиши температуру, отображаемую на термометре, в своем лабораторном блокноте, затем начни собирать данные.
- Подождите около 15 с и введите решение Fe(NO₃)₃ таким же образом, как и раньше.
  заметка: Когда давление приближается к 150 кПа, пробка может соскочить!
- После завершения сбора данных сохраните данные, проветрите и очистите фильтрующую колбу и подготовьтесь к третьему испытанию.
- Наполни стакан объемом 400 мл льдом и добавь немного, чтобы охладить воду примерно до 60 °C.
- Проведите третье испытание так же, как и раньше. Не забудьте высушить пробку и внутреннюю часть колбы, а также записать температуру перед сбором данных.
- После сбора данных для этого испытания охладите воду примерно до 40 °C и проведите четвертое испытание.
- Как только вы закончите все четыре испытания, опустошите фильтрующую колбу и промойте ее в стакане для отходов в последний раз.
- Утилизируйте все излишки 0,5 M Fe(NO₃)₃ и содержимое стакана для отходов в контейнер с маркировкой для отходов водного железа.
- Затем разбери аппарат и вылей оставшийся лед, воду и перекись водорода в раковину. Мойте стеклянную посуду в соответствии со стандартным протоколом вашей лаборатории.
Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть
Разложение перекиси водорода с железом — это сложный, многоступенчатый процесс, который мы не можем легко описать в одном уравнении. Тем не менее, мы можем оценить кажущуюся энергию активации по скорости производства кислорода и сравнить ее с кажущейся энергией активации некатализируемого процесса.
- Найдите скорость изменения давления, которая прямо пропорциональна скорости производства кислорода. Для каждого эксперимента постройте график давления по отношению ко времени и найдите точку, где началась реакция.
- Определите достигнутое максимальное давление и определите наклон между двумя точками.
- После того, как вы определили уклоны и соответствующие температуры в Кельвине для всех температур, используйте уравнение Аррениуса для оценки кажущейся энергии активации этой реакции.
- Возьмем обратное значение температур в Кельвинах и естественное логарифмическое значение скорости изменения давления. Помните, что константа скорости k по существу равна изменению давления.
- Построи график Аррениуса и найди наклон линии.
- Наклон равен отрицательной энергии активации над универсальной газовой постоянной, поэтому умножьте наклон на отрицательную универсальную газовую константу, чтобы получить кажущуюся энергию активации катализируемой железом реакции разложения. Вы увидите значение в диапазоне 35–60 кДж/моль, потому что железный катализатор заставил разложение потреблять меньше энергии. Кажущаяся энергия активации некатализированного разложения перекиси водорода составляет около 78 – 88 кДж/моль.

испытание	Температура (°C)	ΔP (кПа/с)	1/т	ln (ΔP)
1
2
3
4