Каталізатори, що прискорюють розкладання пероксиду водню. Вивчення швидкості реакції розкладання пероксиду водню у присутності каталізатора газометричним методом Каталітичне розкладання перекису водню в домашніх умовах

Крім води, відома інша сполука водню з киснем - пероксид водню (Н 2 Про 2). У природі він утворюється як побічний продукт при окисненні багатьох речовин киснем повітря. Сліди його завжди містяться в атмосферних опадів. Пероксид водню частково утворюється також у полум'ї водню, що горить, але при охолодженні продуктів згоряння розкладається.

У досить високих концентраціях (до кількох відсотках) Н 2 Про 2 може бути отримана взаємодією водню в момент виділення з молекулярним киснем. Пероксид водню частково утворюється також при нагріванні до 2000 ° С вологого кисню, при проходженні тихого електричного розряду крізь вологу суміш водню з киснем та при дії на воду ультрафіолетових променів або озону.

Теплота утворення пероксиду водню.

Безпосередньо визначити теплоту утворення пероксиду водню з елементів не вдається. Можливість знайти її непрямим шляхом дає встановлений Г. І. Гессом (1840 р.) закон сталості сум тепла: загальний тепловий ефект низки послідовних хімічних реакцій дорівнює тепловому ефекту будь-якого іншого ряду реакцій з тими самими вихідними речовинами і кінцевими продуктами.

Строго кажучи, закон Гесса слід було б сформулювати, як "закон сталості сум енергій", тому що при хімічних перетвореннях енергія може виділятися або поглинатися не тільки в тепловій, але і як механічна, електрична та ін. Крім того, передбачається, що аналізовані процеси протікають при постійному тиску чи постійному обсязі. Як правило, саме так і справа при хімічних реакціях, а всі інші форми енергії можуть бути перераховані на теплову. Сутність цього закону особливо наочно виявляється у світлі наступної механічної аналогії: загальна робота, що виробляється вантажем, що опускається без тертя, залежить не від шляху, а тільки від різниці початкової і кінцевої висот. Подібним чином загальний тепловий ефект тієї чи іншої хімічної реакції визначається лише різницею теплот освіти (з елементів) її кінцевих продуктів і вихідних речовин. Якщо всі ці величини відомі, то обчислення теплового ефекту реакції досить із суми теплот освіти кінцевих продуктів відняти суму теплот освіти вихідних речовин. Законом Гесса часто користуються при обчисленні теплот таких реакцій, для яких пряме експериментальне визначення їх важко або навіть неможливо.

У застосуванні до Н 2 Про 2 розрахунок можна здійснити на основі розгляду двох різних шляхів утворення води:

1. Нехай спочатку при з'єднанні водню та кисню утворюється пероксид водню, який потім розкладається на воду та кисень. Тоді матимемо наступні два процеси:

2 Н 2 + 2 О 2 = 2 Н 2 О 2 + 2х кДж

2 Н 2 О 2 = 2 Н 2 О + О 2 + 196 кДж

Тепловий ефект останньої реакції легко визначається експериментально. Складаючи почленно обидва рівняння та скорочуючи одиночні члени, отримуємо

2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О + (2х + 196) кДж.

2. Нехай при з'єднанні водню з киснем безпосередньо утворюється вода, тоді маємо

2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О + 573 кДж.

Так як в обох випадках і вихідні речовини і кінцеві продукти однакові, 2х + 196 = 573, звідки х = 188,5 кДж. Це і буде теплота утворення молячи пероксиду водню з елементів.

Отримання.

Пероксид водню найпростіше одержувати з пероксиду барію (ВаО2), діючи на неї розведеною сірчаною кислотою:

2 + Н 2 SO 4 = BaSO 4 + Н 2 О 2 .

При цьому поряд з пероксидом водню утворюється нерозчинний у воді сульфат барію, від якого рідина може бути відокремлена фільтруванням. Продається Н2О2 зазвичай як 3%-ного водного розчину.

Тривалим упарюванням звичайного 3%-ного водного розчину Н 2 Про 2 при 60-70 ° С можна довести вміст пероксиду водню до 30%. Для отримання міцніших розчинів відгін води доводиться проводити під зменшеним тиском. Так, за 15 мм рт. ст. спочатку (приблизно з 30 ° С) відганяється головним чином вода, а коли температура досягає 50 ° С, у перегінній колбі залишається дуже концентрований розчин пероксиду водню, з якого при сильному охолодженні можуть бути виділені його білі кристали.

Основним методом отримання пероксиду водню є взаємодія з водою надсірчаної кислоти (або деяких її солей), що легко протікає за схемою:

Н 2 S 2 O 8 + 2 H 2 O = 2 H 2 SO 4 + Н 2 О 2 .

Найменше значення мають деякі нові методи (розкладання органічних пероксидних сполук та ін) і старий спосіб отримання з ВаО 2 . Для зберігання та перевезення великих кількостей пероксиду водню найбільш придатні ємності з алюмінію (не нижче 99,6% чистоти).

Фізичні властивості.

Чистий пероксид водню - безбарвна сиропоподібна рідина (зі щільністю близько 1,5 г/мл), що під досить зменшеним тиском переганяється без розкладання. Замерзання Н 2 Про 2 супроводжується стисненням (на відміну води). Білі кристали пероксиду водню плавляться при -0,5 °С, тобто майже за тієї ж температури, що й лід.

Теплота плавлення пероксиду водню становить 13 кДж/моль, теплота випаровування - 50 кДж/моль (25 °С). Під звичайним тиском чистий Н 2 Про 2 кипить при 152 ° С із сильним розкладанням (причому пари можуть бути вибухонебезпечними). Для його критичних температури та тиску теоретично розраховані значення 458 °С та 214 атм. Щільність чистого Н 2 Про 2 дорівнює 1,71 г/см3 у твердому стані, 1,47 г/см3 при 0 ° С та 1,44 г/см3 при 25 °С. Рідкий пероксид водню, подібно до води, сильно асоційована. Показник заломлення Н 2 Про 2 (1,41), а також її в'язкість та поверхневе натяг трохи вище, ніж у води (при тій же температурі).

Структурна формула.

Структурна формула пероксиду водню Н-О-О-Н показує, що два атоми кисню безпосередньо з'єднані один з одним. Зв'язок це неміцний і зумовлює нестійкість молекули. Справді, чиста Н 2 Про 2 здатна розкладатися на воду та кисень з вибухом. У розведених водних розчинах вона значно стійкіша.

Оптичними методами встановлено, що молекула Н-О-Н не лінійна: зв'язку Н-О утворюють кути близько 95° зі зв'язком О-О. Крайніми просторовими формами молекул подібного типу є показані нижче плоскі структури - цис-форма (обидві зв'язку Н-О з одного боку від зв'язку О-О) і транс-форма (зв'язку Н-О з різних боків).

Перехід від однієї з них до іншої міг би здійснюватися шляхом повороту зв'язку Н-О по осі зв'язку О-О, але цьому перешкоджає потенційний бар'єр внутрішнього обертання, зумовлений необхідністю проміжного подолання менш енергетично вигідних станів (на 3,8 кДж/моль для транс- форми та на 15 кДж/моль для цис-форми). Фактично кругове обертання зв'язків Н-О в молекулах Н 2 Про 2 не здійснюється, а відбувається лише деякі їх коливання близько найбільш стійкого для цієї молекули проміжного стану - косої ("гош") - форми.

Хімічні властивості.

Чим чистіший пероксид водню, тим повільніше вона розкладається при зберіганні. Особливо активними каталізаторами розкладання Н 2 Про 2 є сполуки деяких металів (Сu, Fe, Mn та ін.), причому помітно діють навіть такі сліди, які не піддаються прямому аналітичному визначенню. Для зв'язування етил металів до пероксиду водню як "стабілізатор" часто додають трохи (порядку 1:10 000) пірофосфату натрію - Na 4 P 2 O 7 .

Сама по собі лужна середа не викликає розкладання пероксиду водню, але сприяє її каталітичному розпаду. Навпаки, кислотне середовище цей розпад ускладнює. Тому розчин Н 2 Про 2 часто підкислюють сірчаною або фосфорною кислотою. Розкладання пероксиду водню йде швидше при нагріванні та на світлі, тому зберігати його слід у темному прохолодному місці.

Подібно до води, пероксид водню добре розчиняє багато солей. З водою (також зі спиртом) вона поєднується в будь-яких співвідношеннях. Розбавлений його розчин має неприємний "металевий" смак. При дії на шкіру міцних розчинів утворюються опіки, причому обпалене місце забарвлюється в білий колір.

Нижче зіставлена ​​розчинність деяких солей у воді та пероксиді водню при 0 °С (г на 100 г розчинника):

З наведених прикладів видно, що при переході від Н2О до Н2О2 відбувається не просте зміщення розчинності в той чи інший бік, а проявляється його сильна залежність від хімічної природи солей.

Незважаючи на велику подібність пероксиду водню з водою за складом та рядом властивостей, суміші їх замерзають при набагато нижчій температурі, ніж кожна речовина окремо. Існують суміші, що замерзають лише нижче -50 °С. За таких умов може утворитися дуже нестійке сполук складу Н2О2·2Н2О. Слід зазначити, що містять більше 50% Н2О2 водні розчини (як і безводний пероксид водню) дуже схильні до переохолодження. З ефіром пероксид водню, подібно до води, змішується лише обмежено.

Пероксид водню є сильним окислювачем, тобто легко віддає зайвий (порівняно з більш стійким з'єднанням - водою) атом кисню. Так, при дії безводної і навіть висококонцентрованої Н 2 Про 2 на папір, тирсу та інші горючі речовини вони спалахують. Практичне застосування пероксиду водню засноване головним чином на його дії, що окислює. Щорічне світове виробництво Н2О2 перевищує 100 тис. т.

Характерний для пероксиду водню окисний розпад може бути схематично зображений так:

Н 2 О 2 = Н 2 О + О (на окиснення).

І природних ресурсів

Кафедра хімії та екології

ВИВЧЕННЯ ШВИДКОСТІ РЕАКЦІЇ РОЗЛОЖЕННЯ

ПЕРОКСИДУ ВОДОРОДУ В ПРИСУТНІ КАТАЛІЗАТОРА

ГАЗОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ.

з дисципліни «Фізична та колоїдна хімія»

для спеціальності 060301.65 − Фармація

Великий Новгород

1 Мета роботи……………………………………………………………………..3

2 Основні теоретичні становища………………………………………….3

4 Експериментальна частина………………………………………………………4

4.1 Розкладання пероксиду водню у присутності діоксиду марганцю MnO2 ………..………………………………………………………………….4

4.2 Розкладання пероксиду водню у присутності каталізатора при температурі Т2........................................ .................................................. ................6

5 Вимоги до змісту звіту……………………………………………..6

6 Приблизні контрольні питання та завдання…………………………………7

1 ЦІЛІ РОБОТИ

1. Визначити константу швидкості, порядок реакції, період напіврозпаду за температури Т1.

2. Побудувати графік залежності кількості виділився О2 від часу, визначити графічний період напіврозпаду.

3. Визначити енергію активації реакції, розрахувати коефіцієнт температури швидкості реакції.

2 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Застосування пероксиду водню в багатьох технологічних процесах, медицині та сільському господарстві ґрунтується на його окисних властивостях. Процес розкладання Н2О2 у водних розчинах проходить мимовільно і може бути представлений рівнянням:

Н2О2®Н2О +1/2 О2

Процес може бути пришвидшений за допомогою каталізатора. Це можуть бути аніони та катіони, наприклад CuSO4 (гомогенний каталіз). Прискорюючу дію на розкладання Н2О2 мають також тверді каталізатори (вугілля, метали, солі та оксиди металів). Протягом гетерогенної каталітичної реакції розкладання Н2О2 впливає рН середовища, стан поверхні, каталітичні отрути, наприклад, С2Н5ОН, СО, НСN, H2S.

У клітинах рослин, тварин, людини також здійснюється каталітичне розкладання пероксиду водню. Процес здійснюється під дією ферментів каталази та пероксидази, які на відміну від каталізаторів небіологічної природи мають винятково високу каталітичну активність та специфічність дії.

Розкладання Н2О2 супроводжується виділенням О2. Об'єм кисню, що виділився, пропорційний кількості пероксиду водню, що розклався. У роботі використається газометричний метод.

3 ВИМОГИ ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ

При виконанні даної лабораторної роботи необхідно дотримуватись загальних правил роботи в хімічній лабораторії.

4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

4.1 Розкладання пероксиду водню у присутності діоксиду марганцюMnO2 .

Перед початком досвіду необхідно підготувати каталізатор: невеликий шматочок скляної палички змастити клеєм БФ або крохмальним клейстером. Необхідно змастити клеєм лише торець, трохи порошку MnO2 насипати на годинникове скло, доторкнутися торцем палички до порошку, щоб невелика кількість MnO2 залишилася на склі. Клей висушують протягом декількох хвилин (1-2 хв). Тиск усередині системи для збору Н2О2 необхідно призвести до атмосферного: відкрити пробку реакційної пробірки, за допомогою зрівняльної склянки встановить рівень води в бюретці на нульову позначку.

Схема приладу для вимірювання швидкості розкладання Н2О2 представлена ​​на рис.1.

вода

пробірка з Н2О2

Gif" width="10">.gif" width="10"> каталізатор

Рис.1 – Прилад вивчення кінетики розкладання Н2О2.

Піпеткою або мірним циліндром відміряють 2 мл 3% розчину Н2О2, виливають у пробірку 1. Якщо досвід проводиться при кімнатній температурі, готують секундомір, таблицю для запису дослідних даних, Опускають в пробірку каталізатор, нанесений на шматочок скляної палички. Закривають реакційну судину пробкою. Записують обсяг кисню, що виділяється спочатку через 30 сек, потім інтервал можна збільшити до 1 хв.

У міру зниження рівня рідини в бюретці зрівняльну склянку опускають так, щоб рівень рідини в бюретці та склянці не змінювався, різниця рівнів була мінімальною.

Реакція вважається закінченою, якщо рівень рідини у бюретці перестає опускатися.

Об'єм кисню, що відповідає повному розкладанню Н2О2 –V¥, можна отримати, якщо реакційну посудину помістити у склянку з гарячою водою. Після охолодження пробірки до кімнатної температури. Після визначають обсяг О2, що відповідає повному розкладу Н2О2.

Таблиця - Експериментальні дані

Вважаючи, що порядок реакції перший, константу швидкості реакції обчислюють за кінетичним рівнянням першого порядку:

За результатами експерименту обчислюють середнє константи швидкості реакції.

Період напіврозпаду пероксиду водню обчислюють за рівнянням:

t0,5 = 0,693/k, використовуючи середнє значення константи швидкості.

Визначають константу швидкості та період напіврозпаду графічно, використовуючи залежність Vt= f(t) та ln(V¥ – Vt) = f(t), які представлені на рис.2 та рис. 3. Порівнюють результати, отримані двома методами – аналітичним та графічним.

V¥https://pandia.ru/text/80/128/images/image032_11.gif" width="211" height="12">.gif" width="616" height="64">

t, мінt t, мін

Рис. 2 - Залежність Vt = f (t) Рис.3 - Залежність ln (V \ - Vt) = f (t)

4.2 Розкладання пероксиду водню у присутності каталізатора за температури Т2

Досвід повторюють, помістивши реакційну посудину у водяну баню або склянку з водою за температури Т2 (за вказівкою викладача). Дані заносять до таблиці:

Знаючи константи швидкості k1 і k2 за двох різних температур, можна обчислити енергію активації Еa за рівнянням Арреніуса:

Еа =

Крім того, можна обчислити температурний коефіцієнт за правилом Вант-Гоффа:

k2/k1 = γ ∆t/10

5 ВИМОГИ ДО ЗМІСТ ЗВІТУ

Звіт повинен містити:

1. мета роботи;

2. результати вимірювання обсягу кисню, що виділяється під час розкладання пероксиду;

3. розрахунок константи швидкості реакції та періоду напіврозпаду (напівперетворення) пероксиду водню;

4. графік залежності Vt = f(t) та результати графічного визначення періоду напіврозпаду пероксиду водню;

5. графік залежності ln(V¥ – Vt) = f(t)для визначення константи швидкості реакції;

6. результати вимірювань обсягу кисню, що виділяється при розкладанні пероксиду за підвищеної температури і розрахунок константи швидкості реакції;

7. розрахунок енергії активації за рівнянням Арреніуса та розрахунок температурного коефіцієнта швидкості реакції за правилом Вант-Гоффа;

8. Висновки.

6 ПРИКЛАДНІ КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Константа швидкості реакції залежить від:

а) природи реагентів;

б) температурі;

в) концентрацій реагентів;

г) часу, що минув з початку реакції.

2. Порядок реакції

а) формальна величина;

б) визначається лише експериментально;

в) можна обчислити теоретично;

г) дорівнює сумі показників ступенів p + q, у рівнянні υ = k · CAp · CBq.

3. Енергія активації хімічної реакції

а) надлишкова енергія порівняно із середньою енергією молекул, необхідна для того, щоб зіткнення між молекулами стало активним;

б) залежить від природи реагентів;

в) вимірюється Дж/моль;

г) збільшується при введенні до системи каталізатора.

4. Період напіврозпаду деякого радіоактивного ізотопу становить 30 діб. Обчисліть час, після якого кількість ізотопу складе 10% від початкового.

5. Реакція першого порядку за певної температури протікає на 25% за 30 хвилин. Обчисліть період напівперетворення вихідної речовини.

6. У скільки разів зросте швидкість реакції зі збільшенням температури на 40К, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3?

7. При збільшенні температури на 40К швидкість деякої реакції зросла 39,06 разу. Визначте температурний коефіцієнт швидкості реакції.

Мета і завдання 1.Мета: З'ясувати, які продукти містять каталізатори, що прискорюють розкладання пероксиду водню, а які ні. 2. Завдання: o Дізнатися, що таке каталізатор o Провести досвід з пероксидом водню і дізнатися, які продукти є каталізатором. 1.Мета: З'ясувати, які продукти містять каталізатори, що прискорюють розкладання пероксиду водню, а які ні. 2. Завдання: o Дізнатися, що таке каталізатор o Провести досвід з пероксидом водню і дізнатися, які продукти є каталізатором.

Які продукти є каталізаторами? 1. Ми взяли гематоген, капнули пероксид водню і побачили, що виділяється кисень, отже. пероксид водню розкладається. 2. Ми, також взяли й інші продукти, наприклад, сире м'ясо, сиру картоплю, буряк, хліб, часник, банан, какао і з'ясували, що вони також містять каталізатори.

Висновок У ході роботи ми з'ясували, що продуктами, що містять каталізатори розкладання пероксиду водню є: гематоген, сире м'ясо, сира картопля, буряк, хліб, часник, банан, какао. Ними не є: яблуко, заварка, печиво, апельсин/мандарин, ковбаса, копчене м'ясо, кетчуп, мед, шоколадна цукерка. Також ми дізналися що таке каталізатор і як проводити цей досвід.

Розкладання перекису водню під впливом каталізатора й у присутності рідкого мила - одне з найкрасивіших хімічних дослідів. У російськомовній літературі даний експеримент не має специфічної назви, в англомовних джерелах його називають Elephant's Toothpaste, що у вільному перекладі звучить як Зубна паста для слона.

Для експерименту потрібний 30-50% перекис водню (пергідроль), трохи рідкого миючого засобу (який дає багато стійкої піни) та каталізатор розкладання перекису водню. При контакті перекису з каталізатором відбувається активне виділення кисню, завдяки присутності рідкого мила утворюється багато піни (протягом короткого часу). У суміш часто додають барвники, які забарвлюють піну в різні кольори. Потік піни, який виривається з отвору колби або циліндра, часто справді нагадує зубну пасту для слона.

Як каталізатор розкладання перекису водню можна використовувати різні речовини та суміші, наприклад: аміакат міді, іодид калію і навіть суспензію дріжджів.

У минулому я вже проводив цей експеримент, але подивитися у свої старі записи не спромігся, в результаті перший досвід не вийшов. Я взяв 7.5 г мідного купоросу, додав до нього 30 мл концентрованого розчину аміаку, ретельно перемішав. Розчин перелив у літрову колбу, додав 50 мл рідкого миючого засобу для посуду Gala та 80 мл дистиляту, знову перемішав. У колбу налив 100 мл пергідролю, взятого з холодильника. Вірніше, спробував налити: почалася бурхлива реакція, в результаті я не встиг додати приблизно 1/3 пергідролю. Бурхливе розкладання перекису мало місце, але експеримент вийшов огидно: піни було мало.

Тоді я подивився на старі записи. Виявилося, що минулого разу я взяв зовсім інші кількості речовин:

В конічну колбу на 300 мл налийте 10-20 мл рідкого миючого засобу для посуду Gala (або будь-якого аналогічного миючого засобу). розчиниться.) Утворюється синій аміакат міді (II):

CuSO 4 + 6NH 3 + 2H 2 O = (OH) 2 + (NH 4) 2 SO 4

Вилийте розчин аміакату міді в колбу з миючим засобом і добре перемішайте. Поставте колбу на стіл і швидко додайте до неї 50-100 мл 30-50% розчину перекису водню. Відбудеться сильне виділення газу. З колби вдарить фонтан піни. Весь простір навколо колби за кілька секунд заповниться великою грудкою піни. Від піни підніматиметься пара - реакція розкладання перекису водню протікає з виділенням тепла. У наших експериментах висота і ширина піни, що утворилася, була близько 60 см."

Іншими словами, аміакату міді та рідкого мила потрібно було брати менше.

Для другого досвіду взяв конічну колбу на 300 мл 2 г мідного купоросу, до яких додав 20 концентрованого розчину аміаку. Після розчинення сульфату міді додав 20 мл рідкого миючого засобу для посуду Gala, перемішав. Взяв 70 мл перекису водню, але встиг додати лише 50 мл – почалося активне утворення піни.

Піна, що виходила з колби, справді нагадувала зубну пасту, що видавлювалася з тюбика. Завдяки аміакату міді вздовж піни простяглися пофарбовані у синій колір смуги. Досвід вийшов непогано, але розкладання проходило повільно і зайняло понад 2.5 хвилини.

Згадав, що проводив досвід, описаний у статті