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.

Sıcaklık Bağımlılığı

Kavramlar Eğitmen Hazırlığı Öğrenci Protokolü

0 görüntüleme03:17 dk

Bir reaksiyonun ne kadar hızlı ilerlediğinin ölçüsüne reaksiyon hızı denir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı, reaksiyonun hızı ile reaktan konsantrasyonları arasındaki ilişkiyi tanımlayan hız yasası ile tanımlanır. Bu denklemde, k hız sabitidir, A ve B iki reaktandır ve m ve n ilgili reaksiyon sıralarıdır.

Hız sabiti, ilişkiyi uygun hız birimlerine, saniyede litre başına mol birimine dönüştürür. Bu nedenle, hız sabiti, reaksiyonun genel sırasına bağlı olarak farklı birimlere sahiptir. Bununla birlikte, oran sabiti, basit bir birim dönüştürmeden daha fazla öneme sahiptir. Hız sabiti, aktivasyon enerjisi olarak adlandırılan bir kimyasal reaksiyonun meydana gelmesi için gereken minimum enerji miktarı ile ilgilidir.

Bir reaksiyonda, reaktanlar başlangıç potansiyel enerji durumundadır. Reaksiyon ilerledikçe, son durumuna ulaşmadan önce belirli bir potansiyel enerjinin, aktivasyon enerjisinin üstesinden gelmelidir. Reaksiyonun net enerjisi, başlangıç ve son durumlar arasındaki farktır. Bu fark negatif olabilir, yani reaksiyon enerji açığa çıkarır veya pozitif olabilir, yani enerjiyi emdiği anlamına gelir.

Aktivasyon enerjisinin üstesinden gelmek için yeterli enerji yoksa, reaksiyon devam etmeyecektir. Bazı durumlarda, enerji ısı şeklinde sağlanabilir. Bu, aktivasyon engelini aşmak için ek enerji sağlar ve reaksiyon devam edebilir. Reaktanlar ve ürünler arasında alternatif bir düşük aktivasyon enerjisi yolu sağlayan bir katalizör de eklenebilir.

Katalizörler reaksiyonda tüketilmez ve bu nedenle reaksiyonun net enerjisini etkilemez. Aktivasyon enerjisi deneysel olarak belirlenir ve A'nın üstel öncesi veya frekans faktörü olduğu, R'nin evrensel gaz sabiti olduğu ve T'nin reaksiyonun meydana geldiği mutlak sıcaklık olduğu Arrhenius denklemi ile reaksiyon sabiti k ile ilişkilidir.

Bu denklemden, reaksiyon sıcaklığının arttırılmasının veya aktivasyon enerjisinin azaltılmasının hız sabitini arttırdığını biliyoruz. Hız yasası denklemine geri dönersek, daha yüksek bir hız sabitinin daha yüksek bir reaksiyon hızı ile sonuçlandığı sonucu çıkar. Bu mantıklıdır, çünkü sıcaklık arttıkça moleküller daha hızlı hareket eder ve daha sık çarpışır, bu da aktivasyon enerjisinden daha yüksek enerjiye sahip moleküllerin artan bir fraksiyonuna neden olur.

Bu laboratuvarda, model reaksiyon olarak hidrojen peroksitin ayrışmasını kullanarak bir reaksiyonun aktivasyon enerjisini deneysel olarak nasıl ölçeceğinizi öğreneceksiniz.

Print Procedure Steps

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

Kaynak: Smaa Koraym, Johns Hopkins Üniversitesi, MD, ABD

Hidrojen Peroksitin Sıcaklığa Bağlı Ayrışması
Öğrencilerin bu deney için ikili gruplar halinde çalışmalarını öneriyoruz. Ekipman kontrolleri değişiklik gösterebilir.

Bu laboratuvarda, tek bir bileşiğin iki veya daha fazla basit ürüne ayrıldığı bir ayrışma reaksiyonu gerçekleştireceksiniz. Hidrojen peroksitin su ve oksijene ayrışmasını gözlemleyeceksiniz. Bu ayrışma çok yavaş gerçekleşir, bu nedenle aktivasyon enerjisini düşürmek için katalizör olarak demir (III) nitrat kullanacaksınız.

Bu işlem sırasında demir bir redoks reaksiyonuna girer ve daha sonra başlangıç oksidasyon durumuna geri döner. Bunu reaksiyon sırasında çözeltinizde bir renk değişikliği olarak görebileceksiniz. Aynı reaksiyonu dört farklı sıcaklıkta gerçekleştirecek ve şişenin içindeki basıncı kaydederek reaksiyonun hızını takip edeceksiniz. Bu şekilde, her deneyde oksijenin ne kadar hızlı üretildiğini ölçebilirsiniz. Bunu reaksiyonun aktivasyon enerjisini hesaplamak için kullanacaksınız.

Tablo 1. Hidrojen peroksitin ayrışması için görünen aktivasyon enerjisini tahmin
edin
deneme Sıcaklık (°C) ΔP (kPa/sn) 1/T ln (ΔP)
1
2
3
4

Tablo 1'i indirmek için buraya tıklayın
- Bu deneye başlamadan önce laboratuvar önlüğü, koruyucu gözlük ve nitril eldiven giyin.
- Sıcak plakanızın kapalı olduğundan emin olun ve ardından sıcak plakanın üzerine 600 mL'lik bir beher yerleştirin.
- Vakum tüpünü 125 mL'lik bir Büchner filtre şişesinin dikenli yan koluna bağlayın ve filtre şişesini, yan kol beherin üst kısmının hemen üzerinde olacak şekilde 600 mL'lik behere dikkatlice sıkıştırın.
- 400 mL'lik bir kabı deiyonize suyla doldurun ve su seviyesi yan kolun yaklaşık 2-3 cm altına gelene kadar suyu 600 mL'lik behere dökün.
  NOT: Suyun şişeye veya vakum hattına giremediğinden emin olun.
- Termometreyi suya daldırın, ucu şişenin dış duvarı ile temas edecek şekilde yerine sıkıştırın. Mevcut sıcaklığın yanı sıra 40, 60 ve 80 °C işaretlerini okuyabildiğinizden emin olun.
- 2 delikli adaptörün her deliğinin konik bir kilitleme adaptörüyle donatıldığından emin olun. Tüm adaptörlerin sıkıca oturduğundan emin olun, çünkü etraflarından kaçan hava verilerinizi etkileyecektir.
- 2 bir musluğu durdurucu adaptörlerinden birine kilitleyin. Ardından, esnek borunun bir ucunu ikinci adaptöre, diğer ucunu da gaz basınç sensörünün konektörüne kilitleyin.
- Gaz basıncı sensörü için veri toplama cihazını açın ve basıncın kPa cinsinden görüntülendiğinden emin olun.
- Alım hızını saniyede iki örneğe ve süreyi 300 s'ye ayarlayın. Ardından, basıncı gerçek zamanlı olarak görüntüleyin.
- 400 mL'lik bir beheri 'atık', 50 mL'lik bir beheri '0,5 M Fe(NO₃)₃' ve 100 mL'lik bir beheri '%3 w/w hidrojen peroksit' olarak etiketleyin.
- Yeniden kullanacağınız cam eşyalar için temiz bir alan olarak çalışma yüzeyine birkaç kağıt havlu yerleştirin. Daha sonra kullanmak üzere elinizin altında bir miktar kağıt havlu bulundurun.
- Ardından, 50 mL ve 100 mL'lik beherleri stok çözelti alanına getirin. 50 mL'lik behere yaklaşık 30 mL 0,5 M Fe(NO₃)₃ ve 100 mL'lik behere 100 mL %3 w/w hidrojen peroksit dökün.
- Çalışma alanınıza geri döndüğünüzde, 20 mL'lik hacimsel bir pipet kurun ve %3 w/w hidrojen peroksit ile işaretine kadar doldurun. Hidrojen peroksiti filtre şişesine dağıtın ve hacimsel pipeti bir kenara koyun.
- Termometreyi, hidrojen peroksit çözeltisi seviyesinin altındaki şişeye temas edecek şekilde gerektiği gibi ayarlayın.
- Sensöre ve 2 musluka olan bağlantıları gevşetmemeye dikkat ederek lastik tıpayı filtre şişesinin ağzına yerleştirin.
- 2 yönlü durağın kapalı olduğunu kontrol edin. Vakum hattını açın ve azalan basıncı izleyin. Bu, durdurucuyu şişeye kapatacaktır. Basınç 10 kPa'ya ulaştığında vakumu kapatın.
- Yavaş sızıntı olmadığını doğrulamak için basıncı en az 1 dakika izleyin.
  NOT: Basınç hemen hızla artmaya başlarsa, kurulumunuzda bir sızıntı vardır, bu nedenle bağlantıları sıkın ve vakum hattı kapatıldığında basınç 10 kPa'da kalana kadar tekrar deneyin.
- 20 mL'lik bir şırıngaya 5 mL 0,5 M Fe(NO₃)₃ çizin. Şırıngadaki tüm havayı boşaltın, böylece sadece çözeltiyi içerir.
- Şırıngayı 2 yönlü musluğun üst kısmına kilitleyin. Artık oda sıcaklığı denemesine başlamaya hazırsınız, bu nedenle su sıcaklığını laboratuvar defterinize kaydedin.
- Gaz basıncı verilerini almaya başlayın. Cihazın yaklaşık 15 saniye boyunca veri kaydetmesine izin verin, ardından musluğu açın ve Fe(NO₃)_3'ün tamamı şişeye girdikten sonra hızlı bir şekilde kapatın. Basınçta gözlenen artış, hidrojen peroksitin ayrışmasıyla üretilen oksijen gazının evriminden kaynaklanmaktadır.
- Veri toplama işlemi tamamlandığında verilerinizi kaydedin. Ardından, şırınganın bağlantısını kesin ve şişeyi boşaltmak için musluğu açın.
- Lastik tıpayı çıkarın, termometreyi kelepçeden ve şişeyi beherden dikkatlice çıkarın ve vakum tüpünü filtre şişesinden ayırın.
- Şişeyi atık kabına boşaltın. Yan kola sıvı kaçmamaya çalışın. Şişenin dışını kağıt havluyla kurulayın.
- Şişenin içini deiyonize suyla durulayın ve durulamayı atık kabın içine dökün. Yan kola herhangi bir sıvı girerse, kağıt havluyla çıkarın.
- Şişeyi vakum hattına yeniden bağlayın ve clamp termometre ile temas halinde olan 600 mL'lik behere yerleştirin.
- Ocak gözünü açın ve termometre 80 °C'yi okuyana kadar şişenin etrafındaki suyu ısıtın. Ardından, ısıyı kapatın.
- Ardından, şişeye 20 mL w/w %3 hidrojen peroksit ekleyin.
- Tıpayı kağıt havluyla kurulayın. Durdurucunun beherin boynuna tam oturduğundan emin olmak için her denemeden sonra bunu yapın ve durdurucuyu şişeye yerleştirin.
- Musluğun kapalı olduğunu kontrol edin ve şişeyi yaklaşık 10 kPa'ya boşaltın. Ardından elektrikli süpürgeyi kapatın ve sızıntı olmadığını onaylayın.
- Şırıngaya 5 mL Fe(NO₃)₃ solüsyonu çekin, şırıngadaki havayı dışarı atın ve musluka bağlayın.
- Termometrede gösterilen sıcaklığı laboratuvar not defterinize kaydedin, ardından veri toplamaya başlayın.
- Yaklaşık 15 saniye bekleyin ve Fe(NO₃)₃ çözeltisini öncekiyle aynı şekilde tanıtın.
  not: Basınç 150 kPa'ya yaklaştığında durdurucu patlayabilir!
- Veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra verileri kaydedin, filtre şişesini havalandırıp temizleyin ve üçüncü deneme için ayarlayın.
- 400 mL'lik kabı buzla doldurun ve suyu yaklaşık 60 °C'ye soğutmak için biraz ekleyin.
- Üçüncü denemeyi daha önce olduğu gibi gerçekleştirin. Veri toplamadan önce durdurucuyu ve şişenin içini kurutmayı ve sıcaklığı kaydetmeyi unutmayın.
- Bu deneme için veriler toplandıktan sonra, suyu yaklaşık 40 °C'ye soğutun ve dördüncü denemeyi gerçekleştirin.
- Dört denemeyi de bitirdikten sonra, filtre şişesini boşaltın ve son bir kez atık kabına durulayın.
- Fazla 0,5 M Fe(NO₃)₃ ve atık kabının içeriğini sulu demir atığı için etiketlenmiş bir kaba atın.
- Ardından, cihazı sökün ve kalan buz, su ve hidrojen peroksiti lavaboya dökün. Cam eşyalarınızı laboratuvarınızın standart protokolüne göre yıkayın.
Results
Hidrojen peroksitin demir ile ayrışması, tek bir denklemde kolayca tanımlayamayacağımız karmaşık, çok aşamalı bir süreçtir. Bununla birlikte, oksijen üretim hızından görünen aktivasyon enerjisini tahmin edebilir ve bunu katalize edilmemiş sürecin görünen aktivasyon enerjisi ile karşılaştırabiliriz.
- Oksijen üretim hızıyla doğru orantılı olan basınç değişim oranını bulun. Her deney için, zamana göre bir basınç grafiği yapın ve reaksiyonun başladığı noktayı bulun.
- Ulaşılan maksimum basıncı belirleyin ve iki nokta arasındaki eğimi belirleyin.
- Tüm sıcaklıklar için eğimleri ve karşılık gelen sıcaklıkları Kelvin cinsinden belirledikten sonra, bu reaksiyonun görünür aktivasyon enerjisini tahmin etmek için Arrhenius denklemini kullanın.
- Kelvin cinsinden sıcaklıkların tersini ve basınçtaki değişim oranının doğal günlüğünü alın. Hız sabiti k'nin esasen basınçtaki değişime eşit olduğunu unutmayın.
- Bir Arrhenius grafiği yapın ve doğrunun eğimini bulun.
- Eğim, evrensel gaz sabiti üzerindeki negatif aktivasyon enerjisine eşittir, bu nedenle demir katalizli ayrışma reaksiyonunun görünen aktivasyon enerjisini elde etmek için eğimi negatif evrensel gaz sabiti ile çarpın. 35-60 kJ/mol aralığında bir değer göreceksiniz çünkü demir katalizörü ayrışmanın daha az enerji almasını sağladı. Hidrojen peroksitin katalize edilmemiş ayrışmasının görünen aktivasyon enerjisi 78 – 88 kJ/mol civarındadır.