Катализаторы, ускоряющие разложение пероксида водорода. Изучение скорости реакции разложения пероксида водорода в присутствии катализатора газометрическим методом Каталитическое разложение перекиси водорода в домашних условиях
Кроме воды, известно другое соединение водорода с кислородом - пероксид водорода (Н 2 О 2). В природе он образуется как побочный продукт при окислении многих веществ кислородом воздуха. Следы его постоянно содержатся в атмосферных осадках. Пероксид водорода частично образуется также в пламени горящего водорода, но при остывании продуктов сгорания разлагается.
В довольно больших концентрациях (до нескольких процентах) Н 2 О 2 может быть получена взаимодействием водорода в момент выделения с молекулярным кислородом. Пероксид водорода частично образуется также при нагревании до 2000 °С влажного кислорода, при прохождении тихого электрического разряда сквозь влажную смесь водорода с кислородом и при действии на воду ультрафиолетовых лучей или озона.
Теплота образование пероксида водорода.
Непосредственно определить теплоту образования пероксида водорода из элементов не удаётся. Возможность найти её косвенным путём даёт установленный Г. И. Гессом (1840 г.) закон постоянства сумм тепла: общий тепловой эффект ряда последовательных химических реакций равен тепловому эффекту любого другого ряда реакций с теми же самыми исходными веществами и конечными продуктами.
Строго говоря, закон Гесса следовало бы сформулировать, как "закон постоянства сумм энергий", потому что при химических превращениях энергия может выделяться или поглощаться не только в тепловой, но и как механическая, электрическая и др. Кроме того, предполагается, что рассматриваемые процессы протекают при постоянном давлении или постоянном объёме. Как правило, именно так и обстоит дело при химических реакциях, а все другие формы энергии могут быть пересчитаны на тепловую. Сущность этого закона особенно наглядно выявляется в свете следующей механической аналогии: общая работа, производимая опускающимся без трения грузом, зависит не от пути, а только от разности начальной и конечной высот. Подобным же образом общий тепловой эффект той или иной химической реакции определяется только разностью теплот образования (из элементов) её конечных продуктов и исходных веществ. Если всё эти величины известны, то для вычисления теплового эффекта реакции достаточно из суммы теплот образования конечных продуктов вычесть сумму теплот образования исходных веществ. Законом Гесса часто пользуются при вычислении теплот таких реакций, для которых прямое экспериментальное их определение трудно или даже невозможно.
В применении к Н 2 О 2 расчёт можно провести на основе рассмотрения двух различных путей образования воды:
1. Пусть первоначально при соединении водорода и кислорода образуется пероксид водорода, который затем разлагается на воду и кислород. Тогда будем иметь следующие два процесса:
2 Н 2 + 2 О 2 = 2 Н 2 О 2 + 2х кДж
2 Н 2 О 2 = 2 Н 2 О + О 2 + 196 кДж
Тепловой эффект последней реакции легко определяется экспериментально. Складывая почленно оба уравнения и сокращая одиночные члены, получаем
2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О + (2х + 196) кДж.
2. Пусть при соединении водорода с кислородом непосредственно образуется вода, тогда имеем
2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О + 573 кДж.
Так как в обоих случаях и исходные вещества, и конечные продукты одинаковы, 2х + 196 = 573, откуда х = 188,5 кДж. Это и будет теплота образования моля пероксида водорода из элементов.
Получение.
Пероксид водорода проще всего получать из пероксида бария (ВаО2), действуя на неё разбавленной серной кислотой:
ВаО 2 + Н 2 SO 4 = BaSO 4 + Н 2 О 2 .
При этом наряду с пероксидом водорода образуется нерастворимый в воде сульфат бария, от которого жидкость может быть отделена фильтрованием. Продаётся Н2О2 обычно в виде 3%-ного водного раствора.
Продолжительным упариванием обычного 3%-ного водного раствора Н 2 О 2 при 60-70 °С можно довести содержание в нём пероксида водорода до 30%. Для получения более крепких растворов отгонку воды приходится производить под уменьшенным давлением. Так, при 15 мм рт. ст. сначала (примерно с 30 °С) отгоняется главным образом вода, а когда температура достигает 50 °С, в перегонной колбе остаётся очень концентрированный раствор пероксида водорода, из которого при сильном охлаждении могут быть выделены его белые кристаллы.
Основным методом получения пероксида водорода является взаимодействие с водой надсерной кислоты (или некоторых её солей), легко протекающее по схеме:
Н 2 S 2 O 8 + 2 H 2 O = 2 H 2 SO 4 + Н 2 О 2 .
Меньшее значение имеют некоторые новые методы (разложение органических пероксидных соединений и др.) и старый способ получения из ВаО 2 . Для хранения и перевозки больших количеств пероксида водорода наиболее пригодны ёмкости из алюминия (не ниже 99,6%-ной чистоты).
Физические свойства.
Чистый пероксид водорода - бесцветная сиропообразная жидкость (с плотностью около 1,5 г/мл), под достаточно уменьшенным давлением перегоняющуюся без разложения. Замерзание Н 2 О 2 сопровождается сжатием (в отличие от воды). Белые кристаллы пероксида водорода плавятся при -0,5 °С, т. е. почти при той же температуре, что и лёд.
Теплота плавления пероксида водорода составляет 13 кДж/моль, теплота испарения - 50 кДж/моль (при 25 °С). Под обычным давлением чистый Н 2 О 2 кипит при 152 °С с сильным разложением (причём пары могут быть взрывоопасны). Для его критических температуры и давления теоретически рассчитаны значения 458 °С и 214 атм. Плотность чистого Н 2 О 2 равна 1,71 г/см3 в твёрдом состоянии, 1,47 г/см3 при 0 °С и 1,44 г/см3 при 25 °С. Жидкий пероксид водорода, подобно воде, сильно ассоциирована. Показатель преломления Н 2 О 2 (1,41), а также её вязкость и поверхностное натяжение несколько выше, чем у воды (при той же температуре).
Структурная формула.
Структурная формула пероксида водорода Н-О-О-Н показывает, что два атома кислорода непосредственно соединены друг с другом. Связь это непрочна и обусловливает неустойчивость молекулы. Действительно, чистая Н 2 О 2 способна разлагаться на воду и кислород со взрывом. В разбавленных водных растворах она значительно устойчивее.
Оптическими методами установлено, что молекула Н-О-О-Н не линейна: связи Н-О образуют углы около 95° со связью О-О. Крайними пространственными формами молекул подобного типа являются показанные ниже плоские структуры - цис-форма (обе связи Н-О по одну сторону от связи О-О) и транс-форма (связи Н-О по разные стороны).
Переход от одной из них к другой мог бы осуществляться путём поворота связи Н-О по оси связи О-О, но этому препятствует потенциальный барьер внутреннего вращения, обусловленный необходимостью промежуточного преодоления менее энергетически выгодных состояний (на 3,8 кДж/моль для транс-формы и на 15 кДж/моль для цис-формы). Практически круговое вращение связей Н-О в молекулах Н 2 О 2 не осуществляется, а происходит только некоторые их колебания около наиболее устойчивого для данной молекулы промежуточного состояния - косой ("гош") - формы.
Химические свойства.
Чем чище пероксид водорода, тем медленнее она разлагается при хранении. Особенно активными катализаторами разложения Н 2 О 2 являются соединения некоторых металлов (Сu, Fe, Mn и др.), причём заметно действуют даже такие их следы, которые не поддаются прямому аналитическому определению. Для связывания этил металлов к пероксиду водорода в качестве "стабилизатора" часто добавляют немного (порядка 1:10 000) пирофосфата натрия - Na 4 P 2 O 7 .
Сама по себе щелочная Среда не вызывает разложения пероксида водорода, но сильно способствует её каталитическому распаду. Напротив, кислотная среда этот распад затрудняет. Поэтому раствор Н 2 О 2 часто подкисляют серной или фосфорной кислотой. Разложение пероксида водорода идёт быстрее при нагревании и на свету, поэтому хранить его следует в тёмном прохладном месте.
Подобно воде, пероксид водорода хорошо растворяет многие соли. С водой (также со спиртом) она смешивается в любых соотношениях. Разбавленный его раствор имеет неприятный "металлический" вкус. При действии на кожу крепких растворов получаются ожоги, причём обожженное место окрашивается в белый цвет.
Ниже сопоставлена растворимость некоторых солей в воде и пероксиде водорода при 0 °С (г на 100 г растворителя):
И природных ресурсов
Кафедра химии и экологии
ИЗУЧЕНИЕ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ
ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ПРИСУТСТВИИ КАТАЛИЗАТОРА
ГАЗОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.
по дисциплине «Физическая и коллоидная химия »
для специальности 060301.65 − Фармация
Великий Новгород
1 Цель работы……………………………………………………………………..3
2 Основные теоретические положения………………………………………….3
4 Экспериментальная часть………………………………………………………4
4.1 Разложение пероксида водорода в присутствии диоксида марганца MnO2 ………..………………………………………………………………….4
4.2 Разложение пероксида водорода в присутствии катализатора при температуре Т2..........................................................................................................6
5 Требования к содержанию отчета……………………………………………..6
6 Примерные контрольные вопросы и задания……...…………………………7
1 ЦЕЛИ РАБОТЫ
1. Определить константу скорости, порядок реакции, период полураспада при температуре Т1.
2. Построить график зависимости количества выделившегося О2 от времени, определить графически период полураспада.
3. Определить энергию активации реакции, рассчитать температурный коэффициент скорости реакции.
2 ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Применение пероксида водорода во многих технологических процессах, медицине и сельском хозяйстве основывается на его окислительных свойствах. Процесс разложения Н2О2 в водных растворах проходит самопроизвольно и может быть представлен уравнением:
Н2О2®Н2О +1/2 О2
Процесс может быть ускорен с помощью катализатора. Это могут быть анионы и катионы, например CuSO4 (гомогенный катализ). Ускоряющее действие на разложение Н2О2 оказывают также твердые катализаторы (уголь, металлы, соли и оксиды металлов). На течение гетерогенной каталитической реакции разложения Н2О2 влияет рН среды, состояние поверхности, каталитические яды, например С2Н5ОН, СО, НСN, H2S.
В клетках растений, животных, человека также осуществляется каталитическое разложение пероксида водорода. Процесс осуществляется под действием ферментов каталазы и пероксидазы, которые в отличие от катализаторов небиологической природы имеют исключительно высокую каталитическую активность и специфичность действия.
Разложение Н2О2 сопровождается выделением О2. Объем выделившегося кислорода пропорционален количеству разложившегося пероксида водорода. В работе используется газометрический метод.
3 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении данной лабораторной работы необходимо соблюдать общие правила работы в химической лаборатории.
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
4.1 Разложение пероксида водорода в присутствии диоксида марганца MnO 2 .
Перед началом опыта необходимо подготовить катализатор: небольшой кусочек стеклянной палочки смазать клеем БФ или крахмальным клейстером. Необходимо смазать клеем только торец, немного порошка MnO2 насыпать на часовое стекло, прикоснуться торцом палочки к порошку, чтобы небольшое количество MnO2 осталось на стекле. Клей Высушивают в течение нескольких минут (1-2 мин). Давление внутри системы для сбора Н2О2 необходимо привести к атмосферному: открыть пробку реакционной пробирки, с помощью уравнительной склянки установит уровень воды в бюретке на нулевую отметку.
Схема прибора для измерения скорости разложения Н2О2 представле-на рис.1.
вода
 |
пробирка с Н2О2
Gif" width="10">.gif" width="10">катализатор
Рис.1 – Прибор для изучения кинетики разложения Н2О2.
Пипеткой или мерным цилиндром отмеряют 2 мл 3 %-ного раствора Н2О2, выливают в пробирку 1. Если опыт проводится при комнатной температуре, готовят секундомер, таблицу для записи опытных данных, Опускают в пробирку катализатор, нанесенный на кусочек стеклянной палочки. Закрывают реакционный сосуд пробкой. Записывают объем выделяющегося кислорода сначала через 30 сек, затем интервал можно увеличить до 1 мин.
По мере понижения уровня жидкости в бюретке уравнительную склянку опускают так, чтобы уровень жидкости в бюретке и склянке не изменялся, разность уровней была минимальной.
Реакция считается законченной, если уровень жидкости в бюретке перестает опускаться.
Объем кислорода, соответствующий полному разложению Н2О2 –V¥, можно получить, если реакционный сосуд поместить в стакан с горячей водой. После охлаждения пробирки до комнатной температуры. После определяют объем О2, соответствующий полному разложению Н2О2.
Таблица – Экспериментальные данные
Полагая, что порядок реакции первый, константу скорости реакции вычисляют по кинетическому уравнению первого порядка:
По результатам эксперимента вычисляют среднее значение константы скорости реакции.
Период полураспада пероксида водорода вычисляют по уравнению:
t0,5 = 0,693/k, используя среднее значение константы скорости.
Определяют константу скорости и период полураспада графически, используя зависимость Vt= f (t) и ln(V¥ – Vt) = f (t), которые представлены на рис.2 и рис. 3. Сравнивают результаты, полученные двумя методами – аналитическим и графическим.
V¥https://pandia.ru/text/80/128/images/image032_11.gif" width="211" height="12">.gif" width="616" height="64">
t, минt t, мин
Рис. 2 –Зависимость Vt = f(t) Рис.3 – Зависимость ln(V¥ – Vt) = f(t)
4.2 Разложение пероксида водорода в присутствии катализатора при температуре Т2
Опыт повторяют, поместив реакционный сосуд в водяную баню или стакан с водой при температуре Т2 (по указанию преподавателя). Данные заносят в таблицу:
Зная константы скорости k1 и k2 при двух различных температурах, можно вычислить энергию активации Еa по уравнению Аррениуса:
Еа = 
Кроме того, можно вычислить температурный коэффициент по правилу Вант-Гоффа:
k2/k1 = γ ∆t/10
5 ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
1. цель работы;
2. результаты измерения объема кислорода, выделяющегося при разложении пероксида;
3. расчет константы скорости реакции и периода полураспада (полупревращения) пероксида водорода;
4. график зависимости Vt = f(t) и результаты графического определения периода полураспада пероксида водорода;
5. график зависимости ln(V¥ – Vt) = f(t)для определения константы скорости реакции;
6. результаты измерений объема кислорода, выделяющегося при разложении пероксида при повышенной температуре и расчет константы скорости реакции;
7. расчет энергии активации по уравнению Аррениуса и расчет температурного коэффициента скорости реакции по правилу Вант-Гоффа;
8. выводы.
6 ПРИМЕРНЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Константа скорости реакции зависит от:
а) природы реагентов;
б) температуры;
в) концентраций реагентов;
г) времени прошедшего с момента начала реакции.
2. Порядок реакции
а) формальная величина;
б) определяется только экспериментально;
в) может быть вычислен теоретически;
г) равен сумме показателей степеней p + q, в уравнении υ = k· CAp · CBq.
3. Энергия активации химической реакции
а) избыточная энергия по сравнению со средней энергией молекул, необходимая для того, чтобы столкновение между молекулами стало активным;
б) зависит от природы реагентов;
в) измеряется в Дж/моль;
г) увеличивается при введении в систему катализатора.
4. Период полураспада некоторого радиоактивного изотопа составляет 30 суток. Вычислите время, по истечении которого количество изотопа составит 10% от первоначального.
5. Реакция первого порядка при некоторой температуре протекает на 25% за 30 минут. Вычислите период полупревращения исходного вещества.
6. Во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении температуры на 40К, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?
7. При увеличении температуры на 40К скорость некоторой реакции возросла в 39,06 раза. Определите температурный коэффициент скорости реакции.
Цель и задачи 1.Цель: Выяснить, какие продукты, содержат катализатор ы, ускоряющие разложение пероксида водорода, а какие нет. 2. Задачи: o Узнать что такое катализатор o Провести опыт с пероксидом водорода и узнать какие продукты являются катализатором. 1.Цель: Выяснить, какие продукты, содержат катализатор ы, ускоряющие разложение пероксида водорода, а какие нет. 2. Задачи: o Узнать что такое катализатор o Провести опыт с пероксидом водорода и узнать какие продукты являются катализатором.
Какие продукты являются катализаторами? 1. Мы взяли гематоген, капнули пероксида водорода и увидели, что выделяется кислород, следовательно. пероксид водорода разлагается. 2. Мы, также взяли и другие продукты, например, сырое мясо, сырой картофель, свёкла, хлеб, чеснок, банан, какао и выяснили, что они такж е содержат катализатор ы.
Вывод В ходе работы мы выяснили, что продуктами, содержащими катализатор ы разложения пероксида водорода являются: гематоген, сырое мясо, сырой картофель, свёкла, хлеб, чеснок, банан, какао. Ими не являются: яблоко, заварка, печенье, апельсин/мандарин, колбаса, копченое мясо, кетчуп, мёд, шоколадная конфета. Так же мы узнали что такое катализатор и как проводить данный опыт.
Разложение перекиси водорода под действием катализатора и в присутствии жидкого мыла - один из самых красивых химических опытов. В русскоязычной литературе данный эксперимент не имеет специфического названия, в англоязычных источниках его называют Elephant"s Toothpaste , что в вольном переводе звучит как Зубная паста для слона .
Для эксперимента нужна 30-50% перекись водорода (пергидроль), немного жидкого моющего средства (которое дает много устойчивой пены) и катализатор разложения перекиси водорода. При контакте перекиси с катализатором происходит активное выделение кислорода, а благодаря присутствию жидкого мыла образуется много пены (в течение короткого времени). В смесь нередко добавляют красители, которые окрашивают пену в разные цвета. Поток пены, который вырывается из отверстия колбы или цилиндра, часто действительно напоминает "зубную пасту для слона".
В качестве катализатора разложения перекиси водорода можно использовать различные вещества и смеси, например: аммиакат меди, иодид калия и даже суспензию дрожжей.
В прошлом я уже проводил этот эксперимент , но посмотреть в свои старые записи не удосужился, в результате первый опыт не получился. Я взял 7.5 г медного купороса, добавил к нему 30 мл концентрированного раствора аммиака, тщательно перемешал. Раствор перелил в литровую колбу, добавил 50 мл жидкого моющего средства для посуды Gala и 80 мл дистиллята, снова перемешал. В колбу налил 100 мл пергидроля, взятого из холодильника . Вернее, попытался налить: началась бурная реакция, в результате я не успел добавить примерно 1/3 пергидроля. Бурное разложение перекиси имело место, но эксперимент получился отвратительно: пены было мало.
Тогда я посмотрел старые записи. Оказалось, что в прошлый раз я взял совсем другие количества веществ:
"В коническую колбу на 300 мл налейте 10-20 мл жидкого моющего средства для посуды Gala (или любого аналогичного моющего средства). В другой колбочке растворите 3-4 гр сульфата меди в избытке крепкого раствора аммиака (добавляйте аммиак, пока сульфат меди полностью не растворится). Образуется синий аммиакат меди (II):
CuSO 4 + 6NH 3 + 2H 2 O = (OH) 2 + (NH 4) 2 SO 4
Вылейте раствор аммиаката меди в колбу с моющим средством и хорошо перемешайте. Поставьте колбу на стол и быстро добавьте в нее 50-100 мл 30-50% раствора перекиси водорода. Произойдет сильное выделение газа. Из колбы ударит фонтан пены. Все пространство вокруг колбы за несколько секунд заполнится большим комком пены. От пены будет подниматься пар - реакция разложения перекиси водорода протекает с выделением тепла. В наших экспериментах высота и ширина образовавшейся пены была около 60 см."
Другими словами, аммиаката меди и жидкого мыла нужно было брать меньше.
Для второго опыта взял коническую колбу на 300 мл, 2 г медного купороса, к которым добавил 20 концентрированного раствора аммиака. После растворения сульфата меди добавил 20 мл жидкого моющего средства для посуды Gala, перемешал. Взял 70 мл перекиси водорода, но успел добавить только 50 мл - началось активное образование пены.
Пена, что выходила из колбы, действительно напоминала зубную пасту, которая выдавливалась из тюбика. Благодаря аммиакату меди вдоль пены протянулись окрашенные в синий цвет полосы. Опыт получился неплохо, но разложение проходило медленно и заняло более 2.5 минут.
Вспомнил, что проводил опыт, описанный в статье
Рекомендуем также
Loading...