實驗八過氧化氫的分解速率

組員 :49812004 洪嘉駿 ( 步驟 ) 49812005 許丁才 ( 數據處理 ) 49812007 蔡宗廷 ( 目的與原理和儀器 )

一、目的 在定溫下，用不同濃度的催化劑 (KI) 催化

H2O2並求得反應速率常數 ( 測氧氣體積 )

二、原理 1. 催化劑 2. 過氧化氫的分解 3. 過氧化氫的級數 ( 一級 ) 4. 為何使用 KI 當催化劑

1. 催化劑• 定義 : 是參與化學反應和改變反應速率，而本身沒有質量和化學性質的改變

• 類別 :

(1)正催化劑 [1]: 可降低正、逆反應活化能，使正逆、反應速率增加

負催化劑 : 可增加正、逆反應活化能，使正逆、反應速率降低

[10]

(2)均相催化 [2]

(homogeneous catalysis):反應物和催化劑在同一相中反應 非均相催化 (heterogeneous catalysis):反應物和催化劑在不同相中反應

＊此實驗的催化劑為碘化鉀 (KI)，為正催化 劑和是以均相來催化反應物

2. 過氧化氫的分解過氧化氫在酸中性和鹼性反應過程不同 1. 酸中性下 [3]

:

H2O2(aq) + 2 H+(aq) + 2e- → 2H2O(l)

H2O2(aq) → O2(g) + 2 H+(aq) + 2 e-

總反應 : 2 H2O2(aq) → O2(g) + 2 H2O(l)

2. 鹼性下 [4]

:　　　　 OH-

(aq) + H2O2(aq) → HO2-(aq) + H2O(l)

　　　　 HO-2(aq) + H2O2(aq) → O2(g) + OH-

(aq) + H2O(l)

總反應 : 2 H2O2(aq) → O2(g) + 2 H2O(l)

H2O2 氧化過程為一級反應

一級反應

*圖片來源 [8]

零級反應 一級反應 二級反應 斜率 = -k 斜率 = -k 斜率 = k

*表格來源 [7]

*圖片來源 [8]

影響反應速率因素 [9]

1.反應物的本性 4.接觸面積 2.濃度 5.催化劑 3.溫度 6.壓力

影響反應速率常數因素1.反應物本性 ( 活化能 )2.溫度3.催化劑

4. 為何使用 KI當催化劑 1.因為使用鹵化鉀 ( 特別是 KI) ，催化效果明顯，提高反應速率 [6]

2.價格便宜 3.為正催化劑

H2O2 加入催化劑 ( 鹵化物 ) 的比較 [6]

H2O2在水溶液中為一弱酸，其酸常數 (Ka)為2.4×10-12 (25℃)

H2O2(aq) → H+(aq)

+ HO2-(aq)

H2O2為熱力學不穩定化合物，會自動分解2 H2O2(aq) → 2H2O(l)

+ O2(g) ( G°=△ -116.8 kJ/mol H2O2 )

△G= H- T S △ △ ( 熵與焓、溫度與亂度 )

推論 : 溶解度 KI(S)>KBr(S)>KCl(S)

• KX(s)→ K+(aq)+X-

(aq)的焓變化很相近 (△ H∼31-32 kJ/mol) => G= H- T S △ △ △

=> 所以比較 KX(s) 熵 ( 熵與溶解度有關 )KCl(S) KBr(S) KI(S) K+

(aq) Cl-(aq) Br-

(aq) I-(aq)

82.59(JK-1mol-1)

95.90(JK-1mol-1)

106.32(JK-1mol-1)

102.5(JK-1mol-1)

56.5(JK-1mol-1)

82.4(JK-1mol-1)

111.3(JK-1mol-1)

KX(s)→ K+(aq)+X-

(aq)

KCl KBr KI

△ S 76.41(JK-1mol-1)

89(JK-1mol-1)

107.48(JK-1mol-1)

• H2O2 與 X-離子 (X=Cl 或 Br) 在水溶液中之反應須在酸催化下才有較快的反應

機制 : H2O2

+ X- + H+ → HOX + H2O ( 慢 )

H2O2 + HOX → O2 + X- + H++ H2O ( 快 )

*25℃ 時的反應速率常數

Cl- Br-

k=1.1×10-4 M-2s-1 k=2.2×10-2 M-2s-1

k1 k2

0.69 M-1s-1 10.5 M-2s-1

三、藥品與儀器裝置• 儀器 ˙藥品 1. 100ml 燒杯 *1 1.H2O2

2. 5 、 10ml 移液管 *1 2.KI3. 水準瓶 *14. 安全吸球 *15. 量器管 100ml*16. 250ml 錐形瓶 *17. 100ml 量筒 *18. 溫度計 *19. 恆溫槽 *110. 鍋子 *1

實驗步驟

1. 將恆溫槽設定在 35℃

(1) 配製 0.05N 及 0.1N 碘化鉀溶液各 10ml2. (2) 配製 3% 過氧化氫溶液 5ml

(1)配置 0.05N 及 0.1N 碘化鉀 (166.01g/mol) 溶液。 0.05N ：取 0.083g 碘化鉀溶於 10ml 水中。 0.1N ：取 0.166g 碘化鉀溶於 10ml 水中。 (2)配製 3% 過氧化氫 (34.2g/mol) 溶液。 取 0.86ml 35% H2O2 溶液稀釋至 10ml 。

＊當量數 (Eq)=

W= 重量， M= 分子量， n= 每單位解離數

nM

W

/

量氣管

水準瓶

3.

注意各接頭是否接緊 !!

4.將水準瓶中加入適量水，使水面與量氣 管頂端刻度相等，用手舉著。

Tip:盡量與 0 刻度同高為起始點

3% 碘化鉀

過氧化氫溶液

→35 ℃

5.吸量管吸 5ml 3% H2O2 溶液，注入置 於恆溫槽中之錐形瓶。6.吸量管吸 10ml 0.05N KI( 催化劑 ) ，迅速注 入瓶內塞回橡皮塞，放回恆溫槽中並激烈震盪。

7.催化劑一注入即開始計時，每 30 秒紀錄一次產生的 O2 體積，至 O2 體積不再增加為止 ( 通常須要 15~30 分鐘 ) 。

8.將錐形瓶移至 45℃水浴加溫數分鐘後放回恆溫槽 ( 保持密閉 ) ，穩定後調整水面等高，記錄此時 O2 體積為 V∞ 。

9.改用 0.1N 碘化鉀溶液做催化劑，重複所有步驟。

ktOH

OH o

][

][ln

V-V

Vln

22

22

t

以 對時間 t 作圖，可得一斜率 為 k 之直線，可求得反應速率常數 k 。

tVV

V

ln

氧氣濃度與過氧化氫有下列關係：

又可整理得下式 :

所以若以 對 t 作圖，應得一斜率為　　　 的直線，如此亦可求出 k 。

Vtk

VV t log303.2

)log(

)log(loglog tVVektV

10ln

1log 10 e

303.2

1

10ln

1

10log

log

e

ee

)log( tVV

303.2k

四、數據及結果

計算過程 :

斜率 = -0.0015

斜率 = -k /2.303 = -0.0015

k = 0.00345 ( 反應速率常數 )

計算過程 :

斜率 = -0.0025

斜率 = -k /2.303 = -0.0025

k = 0.00575 ( 反應速率常數 )

參考資料[1].奇摩知識家 : http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1306040708819

[2]. 維基百科 :http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%82%AC%E5%8C%96%E5%8A%91

[3]奇摩知識家 :http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1004122803866

[4]奇摩知識家 :http://answers.yahoo.com/question/index?qid=20070121235941AAVnn7q

[5]奇摩知識家 : http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1306031200749

[6]張毓禎 ; 何金昭 ; 徐宜廷 ; 邱一峰 ; 卓靜哲 ; CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI) MAR. 2002 Vol. 60, No. 1, pp.119~128

[7]維基百科 :http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%80%9F%E7%8E%87%E6%96%B9%E7%A8%8B

[8] Chemistry 112:http://bilbo.chm.uri.edu/CHM112/lectures/lecture3.htm

[9]奇摩知識家 :http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105042108239[10] http://www.google.com/imgres?q=%E6%B4%BB%E5%8C%96%E8%83%BD&start=325&hl=zhTW&gbv=2&tbm=isch&tbnid=19V74VysBXn04M:&imgrefurl=http://222.216.3.183/dwswhx/courseweb1/chapter3/3-2-2.htm&docid=HPqulymrdeXvIM&imgurl=http://

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