皂泡量氣管法測定過氧化氫催化分解反應的速率常數

2017-04-21 21:06:18黃浩煒羅安立關錦俊陳境凱曹銘隆

化學教學 2017年3期

黃浩煒+羅安立+關錦俊+陳境凱+曹銘隆+潘湛昌+胡光輝+蘇小輝

摘要：針對“測定過氧化氫的催化分解反應速率實驗”中的水準瓶與量氣管液面難以維持相平、易對反應起點誤判的缺點，進行了實驗改進。用廢舊的堿式滴定管組裝成的皂泡量氣管代替水準瓶，采用醫用注射器注射催化劑的方法代替直接加入法，可便于控制反應的起始時間；用注射器調整皂泡的位置，可獲得更多更精確的實驗數據。改進后的實驗裝置，在操作簡便性、準確性和重現性上都有所提高。

關鍵詞：過氧化氫；催化分解；反應速率；皂泡量氣法；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）3–0066–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 引言

目前，測定過氧化氫催化分解速率及半衰期的方法有很多，如量氣管測量氧氣體積的方法[1～4]、光度法測量過氧化氫含量的方法[5～6]、高錳酸鉀滴定過氧化氫的方法[7]、排水法測量氧氣體積的方法[8]等。國內眾多高等院校主要采用量氣法測定過氧化氫催化分解的反應速率及半衰期[9～15]。實驗中為了測出反應進行一定時間時產生氣體的體積，要求水準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瓶液面保持一致，易出現兩者不等壓的情況，導致觀察得到的體積變化讀數誤差較大。為此，本文對實驗裝置進行了改進，在使用等壓法的原理下，把水準瓶換成了皂泡量氣管，并采用醫用注射器注射催化劑，通過測量上升皂泡的位置隨時間的變化來表示反應所產生的氣體體積隨時間變化的關系。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

常溫下過氧化氫的分解反應進行得很慢，反應的化學計量式為：

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

2.2 實驗裝置

按圖1（b）組裝好裝置，用注射器制造并調整出一個低位置的皂泡，打開三通活塞，通過觀察皂泡位置有無變化以檢查裝置氣密性是否良好。加入一定量的過氧化氫溶液于反應器中，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。隨著反應的進行，可觀察到皂泡的位置在上升，表明有氧氣產生，當皂泡上升2mL距離，記下第一個數據V1，之后每上升2mL依次記下皂泡量氣管的示數V2、V3、…Vt。

改進前、后實驗裝置如圖1（a）、（b）所示。

3 過程與討論

3.1 裝置的改進

圖1（a）是眾多高校實驗室測定過氧化氫催化分解速率及半衰期的裝置[17]，裝置通過測定反應過程中產生的氣體體積隨時間的變化來測定過氧化氫催化分解速率。實驗中為了測出反應進行一定時間時產生氧氣的體積，要求水準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瓶液面保持一致，易出現不等壓的情況，導致觀察體積變化讀數誤差較大。

圖1（b）為本文對實驗裝置進行的改進，在使用等壓法的原理下，把水準瓶換成了皂泡量氣管，并采用醫用注射器注射催化劑，通過記錄上升皂泡位置隨時間的變化來表示反應所產生的氣體體積隨時間變化的關系。改進的實驗裝置可避免過多的人手操作，無需控制水準瓶與量氣管的液面保持水平，所以觀察讀數誤差較水準瓶量氣法小。裝置簡單易得，組裝皂泡量氣管時可利用廢舊的堿式滴定管，體現了環保理念。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題。由于本裝置操作步驟少且方便易行，故數據重現性較好。

3.2 實驗過程

3.2.1 試劑與儀器

（1）藥品及試劑：實驗室配制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均為分析純試劑；0.04 mol/L KMnO4溶液、3% H2O2溶液濃度需要準確標定。

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

3.2.2 實驗操作

3.2.2.1 水準瓶量氣法

利用圖1（a）的實驗裝置按以下步驟進行實驗：

（1）檢驗裝置的氣密性。

（2）校正開始液面讀數為50mL（讀數時水準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）轉動三通活塞，使量氣管與錐形瓶相通，低速開啟攪拌器，保持轉速恒定，手舉水準瓶使與量氣管液面保持同一水平。液面每降低5mL，記錄時間t和量氣管的讀數，總共記錄10組數據。

3.2.2.2 皂泡量氣管法

利用圖1（b）的實驗裝置按以下步驟進行實驗：

（1）檢驗裝置的氣密性并用肥皂水潤洗皂泡量氣管3～4次。

（2）打開三通活塞，連通大氣。用醫用注射器小心吸取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注射器吹出一個低位置的肥皂泡（本實驗吹出的初始位置為3mL處），關閉三通活塞。

（4）低速開動磁力攪拌器，待轉子運行正常后，馬上快速地把醫用注射器的活塞壓到底（加入催化劑），此時皂泡將上升到一個位置，記錄此位置為時間起點。觀察皂泡每上升2mL，記錄一次時間t，共記錄10組數據。

3.3 數據處理結果

（1）列出t、Vt、V∞、V∞-Vt、ln（V∞-Vt）數據表，見表1、表2；Vt為體積間隔，t為生成相應氣體體積的時間，V∞為H2O2全部分解時得到的O2體積。

（2）KMnO4溶液測定H2O2的初濃度cA0，以計算V∞。

（3）ln（V∞-Vt）對t作ln（V∞-Vt）-t圖，求出直線的斜率k。

（4）計算出反應速率系數k1和半衰期t1/2。

圖2、圖3分別是實驗裝置改進前、后ln（V∞-Vt）-t圖。對比圖2、圖3可以看出，改進前后的裝置在同一實驗條件下（實驗室溫度：21.7℃）進行實驗，所得到的反應速率系數接近。圖2中反應速率系數k1=0.000443s-1，半衰期t1/2=0.693/k1= 1562s；圖3中反應速率系數k1=0.000501s-1，半衰期t1/2=0.693/k1=1386s。可以看出裝置改進前后得出的結果相差不大，相對來說改進后的裝置得出的數據相關系數更好，而且改進后的裝置操作更方便、藥品用量更少、實驗耗時更短。