KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ.doc

Katalityczny rozkład wody utlenionej

Celem ćwiczenia jest zbadanie reakcji rozkładu H2O2 i zbadanie wpływu katalizatora, którym jest MnO2 na szybkość tej reakcji.

Przebieg procesu rozkładu wody utlenionej

H2O2  → H2O + ½ O2

badamy za pomocą miareczkowania nadmanganianem potasu w środowisku kwaśnym:

2 MnO4- + 5  H2O2 + 6 H+ → 2 Mn+2 + 5 O2 + 8 H2O.

Reakcję katalizuje MnO2, który otrzymuje się w postaci roztworu koloidalnego w środowisku słabo alkalicznym w reakcji:

2 MnO4- + 3 H2O2 → MnO2 + 3 O2 + 2 H2O2 + 2 OH-

              Badana reakcja jest reakcją pierwszego rzędu, opisaną równaniem kinetycznym I rzędu

                                                                                                  (1)

gdzie c jest stężeniem nadtlenku wodoru po czasie t. Rozwiązaniem tego równania jest wyrażenie

                                                                                                  (2)

gdzie c0 jest początkowym stężeniem H2O2, c jest stężeniem substratu po czasie t. Stężenia te są proporcjonalne do objętości KMnO4 zużytego do miareczkowania, czyli                                                                                                                                                                                                                  (3)

lub

                                                                                                  (4)

Wykres zależności od t powinien, więc być linią prostą, której współczynnik kierunkowy jest równy (–k).

(Zobacz: załączniki “Podstawy kinetyki chemicznej” oraz „Elementy katalizy”)

Zagadnienia do opracowania

1. Pojęcie szybkości reakcji chemicznej, stała szybkości, rząd reakcji, cząsteczkowość.

2. Równanie kinetyczne dla reakcji różnych rzędów, metody wyznaczania stałej szybkości reakcji.

3. Metody wyznaczania rzędu reakcji.

4. Zależność stałej szybkości reakcji od temperatury. Energia aktywacji.

3. Kinetyka reakcji katalizowanych, równanie Ostwalda.

4. Kataliza i jej rodzaje (kataliza jedno‑, wielo‑ i mikroheterogeniczna, kataliza kwasowo‑zasadowa, ujemna, autokataliza).

5. Mechanizm działania katalizatorów.

6. Zastosowanie katalizy w przemyśle.

7. Znajomość badanego układu:

              a) reakcja rozkładu H2O2.

              b) reakcja tworzenia katalizatora MnO2 z KMnO4.

              c) reakcja miareczkowania H2O2 nadmanganianem potasu w środowisku kwaśnym.

Literatura

1. Załączniki “Podstawy kinetyki chemicznej”oraz „Elementy katalizy”.

2. Atkins P. W.: Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa1999, s. 283 – 324.

3. Atkins P. W.,: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 2001, s. 735 - 762.

4. Pigoń K., Ruziewicz Z.: Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980, s. 354 - 357, 390 - 396. 440B445.

5. Chemia fizyczna, Praca zbiorowa, PWN, Warszawa 1980, s. 848 - 860.

Odczynniki

30% roztwór H2O2 (perhydrol), bufor boranowy (pH = 9,23), H2SO4 (1 mol/dm3), KMnO4 (0,02 mol/dm3).

Wykonanie ćwiczenia

1.      Przygotować 50 cm3 roztworu H2O2 przez rozcieńczenie perhydrolu według wskazań asystenta.

2.      Do czterech erlanmayerek wlać po 150 cm3 wody destylowanej oraz po 50 cm3 buforu boranowego i 5 cm3 rozcieńczonego roztworu H2O2 .

3.      Do pierwszej erlenmayerki dodać 5 cm3 wody destylowanej. Pobrać z erlenmayerki 5 cm3 roztworu, zakwasić kwasem siarkowym (pobrać z dozownika 4 cm3), zanotować czas dodania kwasu i miareczkować 0.02 M KMnO4 do słabo-różowego zabarwienia, oznaczając w ten sposób aktualne stężenie H2O2 w roztworze. Kolejne próbki z erlenmayerki pobierać, co pół godziny i miareczkować jak poprzednio, notując każdorazowo czas dodania kwasu do roztworu.

4.      Do drugiej erlenmayerki dodać  2 cm3 0.02 M roztworu KMnO4 (w celu wytworzenia katalizatora) i dokładnie wymieszać. Objętość dodanego roztworu KMnO4 jest proporcjonalna do ilości MnO2, będącego katalizatorem w tej reakcji.

5.      Po upływie 3 - 5 minut od momentu dodania katalizatora pobrać z erlenmayerki 5 cm3 roztworu, zakwasić kwasem siarkowym (pobrać z dozownika 4 cm3), zanotować czas dodania kwasu i miareczkować 0.02 M KMnO4 do słabo-różowego zabarwienia.

6.      Kolejne próbki z erlenmayerki pobierać, co parę minut i powtarzać czynności opisane w punkcie 4. Wykonać 10 oznaczeń.

7.      Do kolejnych erlenmayerek dodać wskazane przez asystenta większe ilości roztworu KMnO4 w celu wytworzenia większej ilości katalizatora (np. 3 i 6 cm3) i wykonać oznaczenia jak w p. 5 i 6. Miareczkowania roztworów ze zwiększoną ilością katalizatora wykonywać w krótszych odstępach czasu.

Wyniki pomiarów zebrać w tabelach:

    Objętość roztworu KMnO4: ………..

Opracowanie wyników

1. Dla każdego z badanych układów narysować wykres zależności lnV od czasu, sprawdzić czy otrzymane wykresy są prostoliniowe, a jeśli tak, to z nachylenia tych wykresów wyznaczyć wartości stałych szybkości reakcji.

2. Wyniki obliczeń zebrać w tabeli:

Dyskusja wyników

1.      Przedstawić badaną reakcję chemiczną. Opisać sposób oznaczania aktualnego stężenia H2O2 w próbkach pobieranych z mieszaniny reakcyjnej.

2.      Skomentować wartość stałej szybkości reakcji bez katalizatora. Podać, jaka substancja może być użyta jako katalizator tej przemiany i w jaki sposób ten katalizator jest otrzymywany.

3.      Na podstawie uzyskanych wykresów stwierdzić, czy reakcja rozkładu wody utlenionej jest reakcją I rzędu.

4.      Porównać stałe szybkości reakcji przebiegających z różną ilością katalizatora. Zbadać wpływ stężenia katalizatora na stałą szybkości reakcji. Według Ostwalda, stała szybkości reakcji jest liniową funkcją stężenia katalizatora. Katalizatorem rozkładu wody utlenionej jest koloidalny MnO2 utworzony z dodanego do roztworu KMnO4. Zatem stężenie katalizatora jest proporcjonalne do objęto...