連續(xù)排水法測定H2O2分解反應(yīng)級數(shù)和速率常數(shù)實驗

唐夢環(huán)王 良謝永生*謝永剛張路路

（1.重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，重慶萬州 404100）（2.中國石油撫順石化公司石油二廠，遼寧撫順 113004）

連續(xù)排水法測定H2O2分解反應(yīng)級數(shù)和速率常數(shù)實驗

唐夢環(huán)1王 良2謝永生1*謝永剛1張路路1

（1.重慶三峽學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，重慶萬州 404100）（2.中國石油撫順石化公司石油二廠，遼寧撫順 113004）

利用初始速率法原理，遵循科學(xué)的假設(shè)檢驗思維，采用連續(xù)排水法準(zhǔn)確測量不同時間生成氧氣的體積，精確測定了Iˉ催化雙氧水分解反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)．文章描述的連續(xù)排水法測定H2O2分解反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)實驗有效利用常用儀器，操作方便、易于實現(xiàn)，數(shù)據(jù)精確、重現(xiàn)性好，綠色環(huán)保，完全滿足高校本科物理化學(xué)實驗教學(xué)要求．

初始速率法；連續(xù)排水法；雙氧水分解反應(yīng)動力學(xué)；綠色實驗

1 引 言

雙氧水分解反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)的測定實驗是高校物理化學(xué)實驗中的基礎(chǔ)實驗，也是公認(rèn)的綠色環(huán)保教學(xué)實驗，被國內(nèi)多部基礎(chǔ)化學(xué)實驗教材所采用．其方法是在已知雙氧水分解反應(yīng)為一級動力學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上以KI為催化劑，取一定濃度C0的H2O2與KI混合，用量氣管或皂膜流量計測定H2O2分解時釋放出氧氣的體積，并記錄一定體積間隔的反應(yīng)時間，依據(jù)氧氣的體積推算出相應(yīng)H2O2的瞬時濃度Ct，再以對t作圖求出反應(yīng)速率常數(shù)．雖然該方法實驗成本低、操作簡單，但在教學(xué)實踐中存在一些缺陷和問題：1）采用量氣管或皂膜流量計測量瞬時氧氣體積，操作雖簡單卻不可靠，學(xué)生在瞬時時間t時準(zhǔn)確讀取隨時間不斷增加的氧氣體積是非常困難的，容易出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致該實驗重復(fù)性較差，學(xué)生很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，削弱了實驗課的教學(xué)效果．2）傳統(tǒng)實驗總是在實驗原理中直接告訴學(xué)生：由于反應(yīng)過程中KI的濃度不變，雙氧水催化分解反應(yīng)為一級動力學(xué)反應(yīng)．這樣犯了先入為主的教學(xué)大忌，使得整個實驗成為驗證性實驗，無助于學(xué)生對理論知識的理解、加深，更無助于學(xué)生科研素質(zhì)的培養(yǎng)．

為解決上述問題，本文利用初始速率法原理，采用連續(xù)排水法獲得氧氣體積，設(shè)計了一個新型I－催化雙氧水分解反應(yīng)動力學(xué)實驗，精確測定了雙氧水催化分解反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)．圖1為實驗裝置示意圖，使用實驗室常見玻璃儀器組裝．

2 實驗原理

初始速率法又稱為初始濃度法，是測定動力學(xué)反應(yīng)常數(shù)的常用實驗方法．反應(yīng)初始速率是雙氧水分解反應(yīng)中反應(yīng)速率最快的時候，此時反應(yīng)物濃度也最大，因此可以進(jìn)行較明確的計量測定，減少實驗相對誤差．

本實驗是采用排水法測定反應(yīng)一開始時計時反應(yīng)時間（tΔ s）所產(chǎn)生的氧氣的物質(zhì)的量，依據(jù)化學(xué)計量式求算tΔ s時反應(yīng)物濃度的變化值從而求算平均速率．

雙氧水催化反應(yīng)化學(xué)方程式為

初始速率（r始）被定義為

速率方程為

α、β分別為H2O2和KI的反應(yīng)分級數(shù)，總級數(shù)n = α + β，[H2O2]和[I－]均為初始濃度，k為反應(yīng)速率常數(shù)，其單位為

Δt時間時雙氧水濃度的變化Δ[H2O2]可由生成氧氣物質(zhì)的量n(O2)求得，而n(O2)可由理想氣體定律求得

其中atmP為環(huán)境大氣壓；T為反應(yīng)體系溫度，與

環(huán)境溫度相同；))(O(2gV為生成氧氣的體積，可由排出水的質(zhì)量m(H2O)和環(huán)境溫度下的密度ρ(H2O)求得，為反應(yīng)溶液總體積；R為摩爾氣體常數(shù)．則初始速率計算公式為

若固定KI的濃度（即[I—]）不變，取若干個不同的H2O2初始濃度[H2O2]，則

采用假設(shè)檢驗法，假設(shè)H2O2反應(yīng)分級數(shù)α = 1、2、3等，以若干個[H2O2]α為橫坐標(biāo)，相應(yīng)r始為縱坐標(biāo)，經(jīng)由Excel作圖，滿足線性回歸方程式r始= k′ [H2O2]α的α值即為H2O2反應(yīng)分級數(shù)，在Excel圖上表現(xiàn)為一條直線．

若固定H2O2的初始濃度[H2O2]，取若干個不同的KI初始濃度[I－]，則

KI反應(yīng)分級數(shù)β采用相同的假設(shè)檢驗法確定．

確定了雙氧水催化分解反應(yīng)的級數(shù)α和β后，即可通過Excel的線性回歸方程求取k′和k″，依據(jù)式(3)或(5)代入初始[I－]或[H2O2]計算得到反應(yīng)速率常數(shù)k．

3 實 驗

3.1 儀器和藥品

250 mL三頸圓底燒瓶，50 mL容量瓶，恒壓漏斗，小試管，50 mL燒杯，溫度計，試管，膠塞，玻璃管，膠頭滴管，吸耳球，移液管，磁力加熱攪拌器，電子分析天平，蒸餾水，15.0% H2O2溶液和0.500 mol/L KI溶液．

3.2 實驗過程

（1）按圖1裝好儀器，在磁力加熱攪拌器上安裝水浴鍋，在水浴鍋上固定一個250 mL三頸圓底燒瓶，將一合適小試管放入燒瓶中，使試管底部接觸燒瓶底部、試管上口與瓶頸下端齊平，可在試管上端纏繞一定厚度生料帶，防止小試管在燒瓶中的晃動．從燒瓶側(cè)口加入適量蒸餾水，用帶細(xì)長虹吸管的膠塞塞緊燒瓶側(cè)口，將恒壓漏斗插入三頸圓底燒瓶中間的瓶口，并使恒壓漏斗下端插入燒瓶內(nèi)試管中，另一瓶口處插入帶溫度計的膠塞，并調(diào)整溫度計水銀球位置，使水銀球位于水面下方，且不接觸燒瓶瓶壁．虹吸管由三部分組成，分別是玻璃滴管、膠管及玻璃管，將玻璃管插入燒瓶內(nèi)，用膠塞固定在燒瓶側(cè)口上，移動燒瓶外膠管、改變玻璃滴管管口位置可改變燒瓶內(nèi)水位．

（2）組裝好儀器后，檢查裝置的氣密性．用吸耳球使虹吸管充滿水，調(diào)節(jié)虹吸管管口位置，將瓶內(nèi)水位和虹吸管口處于水平位置（虛線），靜置，看虹吸管內(nèi)水是否產(chǎn)生溢出或倒吸，若水未倒吸或溢出，則表示裝置氣密性較好．

（3）在水浴鍋中灌入適量水，打開磁力加熱攪拌器，調(diào)整燒瓶內(nèi)溫度穩(wěn)定在20 ℃則將其中加入少量蒸餾水，待燒瓶內(nèi)蒸餾水溫度穩(wěn)定在20 ℃時，記錄溫度．取潔凈干燥的50 mL燒杯，用分析天平稱其質(zhì)量，并記錄．

（4）用移液管依次將規(guī)定量（見表1和表3）的蒸餾水V(H2O) mL和雙氧水溶液V(15.0 % H2O2) mL加入燒瓶內(nèi)的反應(yīng)試管中，再將對應(yīng)量的KI溶液V(0.500 mol L-1KI) mL加入至恒壓漏斗中，用膠塞塞緊燒瓶恒壓漏斗瓶口．調(diào)整虹吸管管口的位置與燒瓶內(nèi)蒸餾水位平行．將已稱量的50 mL燒杯放置在虹吸管玻璃滴管管口處，并使管口貼緊燒杯內(nèi)壁．打開恒壓滴液漏斗旋塞，當(dāng)兩種試劑接觸時開始計時．tΔ s時移開接收燒杯，冷卻至室溫后稱重、去皮即得tΔ s時生成氧氣排出水的質(zhì)量m(H2O) ɡ．

3.3 結(jié)果和討論

1）確定H2O2的反應(yīng)分級數(shù)

固定反應(yīng)溶液總體積（5 mL）和反應(yīng)溶液中[KI]（0.100 mol·L-1），按照表1所示比例調(diào)節(jié)5個實驗反應(yīng)溶液中[H2O2]，收集60 s左右時生成氧氣排出的水，依據(jù)公式（1）計算初始速率，結(jié)果見表2．據(jù)表2以[H2O2]α（假設(shè)α = 1或 2）為橫坐標(biāo)，初始速率（Rate）為縱坐標(biāo)經(jīng)Excel作散點圖2．由圖2可知，α = 1時滿足等式(2)，線性回歸方程式為

上式表明H2O2的反應(yīng)分級數(shù)α = 1

表1 H2O2反應(yīng)分級數(shù)測定實驗投料比例

表2 [H2O2]對初始速率（Rate）的影響

圖2 [H2O2]α對初始速率（Rate）的影響

2）確定KI的反應(yīng)分級數(shù)

固定反應(yīng)溶液總體積（5 mL）和反應(yīng)溶液中過氧化氫的濃度（[H2O2] = 0.940 mol·L-1），按照表3所示比例調(diào)節(jié)5個實驗反應(yīng)溶液中[KI]，收集60 s左右時生成氧氣排出的水，依據(jù)公式（1）計算初始速率，結(jié)果見表4．據(jù)表4以[KI]β（假設(shè)β = 1 或 2）為橫坐標(biāo)，初始速率（Rate）為縱坐標(biāo)經(jīng)Excel作散點圖3．由圖3可知，β = 1時滿足等式(4)，線性回歸方程式為

上式表明KI的反應(yīng)分級數(shù)β = 1．

表3 KI反應(yīng)分級數(shù)測定實驗投料比例

表4 [KI]對初始速率（Rate）的影響

圖3 [KI]β對初始速率（Rate）的影響

3）確定反應(yīng)速率常數(shù)

由線性回歸方程（6）確定斜率k′ = 0.001 10，依據(jù)等式（3）可求得在20 ℃時的反應(yīng)速率常數(shù)k = 0.011 0 L·mol-1· s-1．

同理，由線性回歸方程（7）確定斜率k″ = 0.010 2和等式（5）可求得20 ℃時的反應(yīng)速率常數(shù)k = 0.010 8 L·mol-1· s-1．

采用10名學(xué)生實驗結(jié)果，基于線性回歸方程（6）和等式（3）測定的反應(yīng)速率常數(shù)平均值為0.011 0 ± 0.000 4 L·mol-1· s-1，基于線性回歸方程（7）和等式（5）測定的反應(yīng)速率常數(shù)平均值為0.010 8 ± 0.000 4 L·mol-1· s-1．結(jié)果表明新型雙氧水催化分解反應(yīng)動力學(xué)實驗結(jié)果重現(xiàn)性非常好，精密度很高．

4 結(jié) 論

新型雙氧水催化分解反應(yīng)動力學(xué)實驗具有以下優(yōu)點：

1）采用實驗室常用玻璃儀器，組裝簡單，易于實現(xiàn)，占地面積小，便于同時開展多組學(xué)生實驗．

2）采用排水法間接測量生成氧氣的量，準(zhǔn)確度高，易于實現(xiàn)．采用量氣管或皂膜流量計準(zhǔn)確讀取某一時刻隨時間變化的氧氣體積是困難的，容易導(dǎo)致讀數(shù)偏差．采用排水法間接測量生成氧氣的量時由電子分析天平稱重與生成氧氣等體積的水的質(zhì)量來計算生成氧氣的體積，有效避免讀數(shù)時造成的明顯誤差．在需要的時刻（tΔ時），可迅速移開接收試管，準(zhǔn)確測定此時刻的氧氣體積，實驗操作易于實現(xiàn)．

3）采用假設(shè)檢驗法確定反應(yīng)級數(shù)是提出問題后解決問題的教學(xué)方法，符合教學(xué)規(guī)律．新型實驗將傳統(tǒng)驗證實驗變?yōu)樘剿餮芯啃蛯嶒灒谔岣邔W(xué)生實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生科研素質(zhì)．

4）初始速率法測定雙氧水催化分解反應(yīng)級數(shù)和速率常數(shù)實驗結(jié)果重現(xiàn)性好、精密度高．

總之，初始速率法測定雙氧水催化分解反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)實驗有效利用常用玻璃儀器，操作方便、易于實現(xiàn)、數(shù)據(jù)精確、重現(xiàn)性好，是符合高校本科物理化學(xué)實驗教學(xué)要求的探索研究型實驗．

圖1 實驗裝置示意圖

[1]李三鳴.物理化學(xué)實驗[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2007.

[2]李云平，辛凌云，李森蘭，等.KI催化H2O2分解的速度常數(shù)、活化能測定研究[J].洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2006，25（5）：79-81.

（責(zé)任編輯：張新玲）

An Experiment of to Determine the Reaction Rate and Rate constants of H2O2with the Method of Continuous Drainage

TANG Menghuan WANG Liang XIE Yongsheng* XIE Yonggang ZHANG Lulu
(School of ENvirnment and Chemistry Engineering, Chongqing Three Georges University, Wanzhou, Chongqing 404100)

This paper, under the principle of initial rate method and with scientific hypothetic test thinking, adopts continuous drainage method to accurately measure the volume of oxygen generated in different periods of time and the reaction rate and rate constants in the decomposition reaction of catalytic hydrogen peroxide. Ordinary glasses are effectively used in dynamics experiment of the H2O2decomposition reaction, thus the experiment is easy to operate, the data are accurate, and re-experimenting proves sound and environment-friendly. It can meet the requirements of the experimenting courses in universities.

initial rate method; continuous drainage method; dynamics of decomposition of hydrogen peroxide; environment-friendly experiment

O6-3

A

1009-8135（2015）03-0083-04

2015-01-11

唐夢環(huán)（1994-），女，重慶城口人，重慶三峽學(xué)院學(xué)生．

謝永生（1980-），男，山東安丘人，重慶三峽學(xué)院講師，博士，主要研究藥物化學(xué)．

重慶三峽學(xué)院青年教師項目資助（13QN21）階段性成果