皂泡量氣管法測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解反應(yīng)的速率常數(shù)

黃浩煒+羅安立+關(guān)錦俊+陳境凱+曹銘隆+潘湛昌+胡光輝+蘇小輝

摘要：針對(duì)“測(cè)定過(guò)氧化氫的催化分解反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)”中的水準(zhǔn)瓶與量氣管液面難以維持相平、易對(duì)反應(yīng)起點(diǎn)誤判的缺點(diǎn)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。用廢舊的堿式滴定管組裝成的皂泡量氣管代替水準(zhǔn)瓶，采用醫(yī)用注射器注射催化劑的方法代替直接加入法，可便于控制反應(yīng)的起始時(shí)間；用注射器調(diào)整皂泡的位置，可獲得更多更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，在操作簡(jiǎn)便性、準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性上都有所提高。

關(guān)鍵詞：過(guò)氧化氫；催化分解；反應(yīng)速率；皂泡量氣法；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）3–0066–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

目前，測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解速率及半衰期的方法有很多，如量氣管測(cè)量氧氣體積的方法[1～4]、光度法測(cè)量過(guò)氧化氫含量的方法[5～6]、高錳酸鉀滴定過(guò)氧化氫的方法[7]、排水法測(cè)量氧氣體積的方法[8]等。國(guó)內(nèi)眾多高等院校主要采用量氣法測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解的反應(yīng)速率及半衰期[9～15]。實(shí)驗(yàn)中為了測(cè)出反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間時(shí)產(chǎn)生氣體的體積，要求水準(zhǔn)瓶的液面與量氣管液面保持同一水平。由于需要人手控制量氣管液面和水準(zhǔn)瓶液面保持一致，易出現(xiàn)兩者不等壓的情況，導(dǎo)致觀察得到的體積變化讀數(shù)誤差較大。為此，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在使用等壓法的原理下，把水準(zhǔn)瓶換成了皂泡量氣管，并采用醫(yī)用注射器注射催化劑，通過(guò)測(cè)量上升皂泡的位置隨時(shí)間的變化來(lái)表示反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體體積隨時(shí)間變化的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

常溫下過(guò)氧化氫的分解反應(yīng)進(jìn)行得很慢，反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式為：

由于反應(yīng)（1）的速率較反應(yīng)（2）慢得多，故總的反應(yīng)速率由反應(yīng)（1）控制，則H2O2分解反應(yīng)的速率方程為：

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

按圖1（b）組裝好裝置，用注射器制造并調(diào)整出一個(gè)低位置的皂泡，打開三通活塞，通過(guò)觀察皂泡位置有無(wú)變化以檢查裝置氣密性是否良好。加入一定量的過(guò)氧化氫溶液于反應(yīng)器中，加入攪拌子，重新吹出皂泡并記錄所在位置。低速開啟攪拌器，用注射器快速注射KI溶液，記下溫度。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，可觀察到皂泡的位置在上升，表明有氧氣產(chǎn)生，當(dāng)皂泡上升2mL距離，記下第一個(gè)數(shù)據(jù)V1，之后每上升2mL依次記下皂泡量氣管的示數(shù)V2、V3、…Vt。

改進(jìn)前、后實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）、（b）所示。

3 過(guò)程與討論

3.1 裝置的改進(jìn)

圖1（a）是眾多高校實(shí)驗(yàn)室測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解速率及半衰期的裝置[17]，裝置通過(guò)測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體體積隨時(shí)間的變化來(lái)測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解速率。實(shí)驗(yàn)中為了測(cè)出反應(yīng)進(jìn)行一定時(shí)間時(shí)產(chǎn)生氧氣的體積，要求水準(zhǔn)瓶的液面與量氣管液面保持同一水平。由于需要人手控制量氣管液面和水準(zhǔn)瓶液面保持一致，易出現(xiàn)不等壓的情況，導(dǎo)致觀察體積變化讀數(shù)誤差較大。

圖1（b）為本文對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的改進(jìn)，在使用等壓法的原理下，把水準(zhǔn)瓶換成了皂泡量氣管，并采用醫(yī)用注射器注射催化劑，通過(guò)記錄上升皂泡位置隨時(shí)間的變化來(lái)表示反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體體積隨時(shí)間變化的關(guān)系。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置可避免過(guò)多的人手操作，無(wú)需控制水準(zhǔn)瓶與量氣管的液面保持水平，所以觀察讀數(shù)誤差較水準(zhǔn)瓶量氣法小。裝置簡(jiǎn)單易得，組裝皂泡量氣管時(shí)可利用廢舊的堿式滴定管，體現(xiàn)了環(huán)保理念。采用了針管注射催化劑的方法，避免了起始生成的氧氣逸散到空氣中的問(wèn)題。由于本裝置操作步驟少且方便易行，故數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.2.1 試劑與儀器

（1）藥品及試劑：實(shí)驗(yàn)室配制18 g/L十二烷基苯磺酸鈉溶液作為起泡水（也可采用一定濃度的洗潔精溶液）；0.1 mol/L KI溶液；0.04 mol/L KMnO4溶液；3% H2O2溶液。KI、KMnO4、H2O2均為分析純?cè)噭?.04 mol/L KMnO4溶液、3% H2O2溶液濃度需要準(zhǔn)確標(biāo)定。

（2）儀器：反應(yīng)器部分由磁力攪拌器、磁力攪拌子、錐形瓶、兩孔橡膠塞、醫(yī)用注射器、L型玻璃管組成。其中，醫(yī)用注射器有兩個(gè)規(guī)格，10mL注射器用于快速注射催化劑溶液，50mL注射器用于調(diào)整皂泡起始位置。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

3.2.2.1 水準(zhǔn)瓶量氣法

利用圖1（a）的實(shí)驗(yàn)裝置按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）檢驗(yàn)裝置的氣密性。

（2）校正開始液面讀數(shù)為50mL（讀數(shù)時(shí)水準(zhǔn)瓶和量氣管液面保持同一水平面）。

（3）用移液管量取10mL H2O2+20mL水+ 10mL KI溶液于錐形瓶中，加入攪拌子，塞緊橡膠塞，迅速按下秒表。

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)三通活塞，使量氣管與錐形瓶相通，低速開啟攪拌器，保持轉(zhuǎn)速恒定，手舉水準(zhǔn)瓶使與量氣管液面保持同一水平。液面每降低5mL，記錄時(shí)間t和量氣管的讀數(shù)，總共記錄10組數(shù)據(jù)。

3.2.2.2 皂泡量氣管法

利用圖1（b）的實(shí)驗(yàn)裝置按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

（1）檢驗(yàn)裝置的氣密性并用肥皂水潤(rùn)洗皂泡量氣管3～4次。

（2）打開三通活塞，連通大氣。用醫(yī)用注射器小心吸取10mL KI溶液，用移液管往錐形瓶里加入10mL H2O2+20mL水，組裝好裝置。

（3）擠壓膠頭，用50mL注射器吹出一個(gè)低位置的肥皂泡（本實(shí)驗(yàn)吹出的初始位置為3mL處），關(guān)閉三通活塞。

（4）低速開動(dòng)磁力攪拌器，待轉(zhuǎn)子運(yùn)行正常后，馬上快速地把醫(yī)用注射器的活塞壓到底（加入催化劑），此時(shí)皂泡將上升到一個(gè)位置，記錄此位置為時(shí)間起點(diǎn)。觀察皂泡每上升2mL，記錄一次時(shí)間t，共記錄10組數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

（1）列出t、Vt、V∞、V∞-Vt、ln（V∞-Vt）數(shù)據(jù)表，見表1、表2；Vt為體積間隔，t為生成相應(yīng)氣體體積的時(shí)間，V∞為H2O2全部分解時(shí)得到的O2體積。

（2）KMnO4溶液測(cè)定H2O2的初濃度cA0，以計(jì)算V∞。

（3）ln（V∞-Vt）對(duì)t作ln（V∞-Vt）-t圖，求出直線的斜率k。

（4）計(jì)算出反應(yīng)速率系數(shù)k1和半衰期t1/2。

圖2、圖3分別是實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)前、后ln（V∞-Vt）-t圖。對(duì)比圖2、圖3可以看出，改進(jìn)前后的裝置在同一實(shí)驗(yàn)條件下（實(shí)驗(yàn)室溫度：21.7℃）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得到的反應(yīng)速率系數(shù)接近。圖2中反應(yīng)速率系數(shù)k1=0.000443s-1，半衰期t1/2=0.693/k1= 1562s；圖3中反應(yīng)速率系數(shù)k1=0.000501s-1，半衰期t1/2=0.693/k1=1386s?？梢钥闯鲅b置改進(jìn)前后得出的結(jié)果相差不大，相對(duì)來(lái)說(shuō)改進(jìn)后的裝置得出的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)更好，而且改進(jìn)后的裝置操作更方便、藥品用量更少、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)更短。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提及的測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解速率的裝置與方法，通過(guò)使用皂泡量氣管代替水準(zhǔn)瓶測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體體積，進(jìn)行測(cè)定過(guò)氧化氫催化分解速率的實(shí)驗(yàn)，避免了過(guò)多人工操作及人工操作引起的誤差；使用了注射器注射催化劑的方法，便于控制反應(yīng)起始，使讀數(shù)誤差較改進(jìn)前的裝置更小，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確。

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