Температурная зависимость

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

1. Температурно-зависимое разложение перекиси водорода<кнопка class="развернуть">Развернуть

   Мы предлагаем учащимся поработать в парах для проведения этого эксперимента. Управление оборудованием может отличаться.

   В этой лаборатории вы проведете реакцию разложения, в ходе которой одно соединение распадается на два или более простых продукта. Вы будете наблюдать разложение перекиси водорода на воду и кислород. Это разложение происходит очень медленно, поэтому вы будете использовать нитрат железа (III) в качестве катализатора для снижения энергии активации.

   Во время этого процесса железо вступает в окислительно-восстановительную реакцию, а затем возвращается в исходное состояние окисления. Вы сможете увидеть это как изменение цвета вашего раствора во время реакции. Вы будете выполнять одну и ту же реакцию при четырех разных температурах и отслеживать скорость реакции, записывая давление внутри колбы. Таким образом, вы можете измерить, как быстро был произведен кислород в каждом эксперименте. Вы будете использовать его для вычисления энергии активации реакции.

   Таблица 1. Оценка кажущейся энергии активации при разложении перекиси водорода

   испытание	Температура (°C)	ΔP (кПа/с)	1/т	ln (ΔP)
   1
   2
   3
   4

   Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1

   • Перед началом этого эксперимента наденьте лабораторный халат, защитные очки и нитриловые перчатки.
   • Убедитесь, что ваша конфорка выключена, а затем положите на нее стакан объемом 600 мл.
   • Подсоедините вакуумную трубку к колбе с колбой фильтра Büchner объемом 125 мл и осторожно зажмите колбу с фильтром в стакане объемом 600 мл так, чтобы она оказалась прямо над верхней частью стакана.
   • Наполните стакан объемом 400 мл деионизированной водой., и налейте воду в стакан объемом 600 мл, пока уровень воды не станет примерно на 2–3 см ниже бокового рукава.
     ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что вода не может попасть в колбу или вакуумную линию.
   • Погрузите термометр в воду, зажав его так, чтобы конец соприкасался с внешней стенкой колбы. Убедитесь, что вы можете прочитать текущую температуру, а также отметки 40, 60 и 80 °C.
   • Убедитесь, что каждое отверстие адаптера с 2 отверстиями оснащено коническим фиксирующим адаптером. Убедитесь, что все адаптеры надежно закреплены, так как любой воздух, выходящий вокруг них, повлияет на ваши данные.
   • Заблокируйте 2-позиционный запорный кран в одном из адаптеров стопора. Затем зафиксируйте один конец гибкой трубки во втором адаптере, а другой конец — в разъеме датчика давления газа.
   • Включите устройство сбора данных для датчика давления газа и убедитесь, что давление отображается в кПа.
   • Установите скорость сбора данных на два образца в секунду и продолжительность на 300 с. Затем отобразите давление в режиме реального времени.
   • Пометьте стакан объемом 400 мл как 'отходы', стакан объемом 50 мл как '0,5 M Fe(NO₃)₃', а стакан объемом 100 мл как '3% с перекисью водорода'.
   • Положите несколько бумажных полотенец на рабочую поверхность в качестве чистой зоны для стеклянной посуды, которую вы будете использовать повторно. Держите под рукой запас бумажных полотенец на потом.
   • Затем поднесите стаканы объемом 50 мл и 100 мл к области стокового раствора. Налейте около 30 мл 0,5 М Fe(NO₃)₃ в стакан объемом 50 мл и 100 мл 3% перекиси водорода в стакан объемом 100 мл.
   • Вернитесь на свое рабочее место, установите объемный дозатор объемом 20 мл и заполните его до отметки 3% по мас.% перекиси водорода. Налейте перекись водорода в колбу с фильтром и отложите объемную пипетку в сторону.
   • Отрегулируйте термометр по мере необходимости, чтобы он соприкасался с колбой ниже уровня раствора перекиси водорода.
   • Установите резиновую пробку в горловину фильтрующей колбы, стараясь не ослабить соединения с датчиком и 2-позиционным запорным краном.
   • Проверьте, что 2-сторонняя остановка закрыта. Откройте вакуумную линию и следите за давлением по мере его снижения. Это позволит запечатать пробку в колбе. Как только давление достигнет 10 кПа, закройте вакуум.
   • Следите за давлением не менее 1 минуты, чтобы убедиться, что нет медленных утечек.
     ПРИМЕЧАНИЕ: Если давление сразу же начинает быстро увеличиваться, в вашей установке есть утечка, поэтому затяните соединения и повторите попытку, пока давление не удержится на уровне 10 кПа при закрытой вакуумной линии.
   • Наберите 5 мл 0,5 M Fe(NO₃)₃ в шприц объемом 20 мл. Выдавите весь воздух из шприца так, чтобы в нем был только раствор.
   • Зафиксируйте шприц в верхней части 2-позиционного запорного крана. Теперь вы готовы начать испытание температуры в помещении, поэтому запишите температуру воды в лабораторный блокнот.
   • Начните сбор данных о давлении газа. Дайте устройству записывать данные в течение примерно 15 с, затем откройте запорный кран и быстро закройте его, как только все Fe(NO₃)₃ поступит в колбу. Наблюдаемое повышение давления происходит в результате выделения газообразного кислорода, образующегося в результате разложения перекиси водорода.
   • Как только сбор данных завершится, сохраните свои данные. Затем отсоедините шприц и откройте запорный кран, чтобы выпустить флягу.
   • Выньте резиновую пробку, осторожно извлеките термометр из зажима и колбу из стакана, а также отсоедините вакуумную трубку от колбы фильтра.
   • Высыпайте колбу в стакан для отходов. Старайтесь не попадать жидкостью в боковое плечо. Высушите колбу снаружи бумажными полотенцами.
   • Промойте внутреннюю часть колбы деионизированной водой и вылейте ополаскиватель в стакан для отходов. Если в боковой рычаг попала какая-либо жидкость, удалите ее бумажными полотенцами.
   • Снова подключите колбу к вакуумной линии и зажмите ее в стакане объемом 600 мл, соприкасающемся с термометром.
   • Включите плиту и нагрейте воду вокруг колбы, пока термометр не покажет 80 °C. Затем выключите огонь.
   • Затем добавьте в колбу 20 мл 3% перекиси водорода.
   • Высушите пробку бумажными полотенцами. Делайте это после каждой попытки, чтобы убедиться, что пробка плотно прилегает к горлышку стакана и помещается в колбу.
   • Убедитесь, что запорный кран закрыт, и опорожните колбу примерно до 10 кПа. Затем закройте пылесос и убедитесь, что утечек нет.
   • Наберите 5 мл раствора Fe(NO₃)₃ в шприц, выдавите воздух из шприца и подключите его к запорному крану.
   • Запиши температуру, отображаемую на термометре, в своем лабораторном блокноте, затем начни собирать данные.
   • Подождите около 15 с и введите решение Fe(NO₃)₃ таким же образом, как и раньше.
     заметка: Когда давление приближается к 150 кПа, пробка может соскочить!
   • После завершения сбора данных сохраните данные, проветрите и очистите фильтрующую колбу и подготовьтесь к третьему испытанию.
   • Наполни стакан объемом 400 мл льдом и добавь немного, чтобы охладить воду примерно до 60 °C.
   • Проведите третье испытание так же, как и раньше. Не забудьте высушить пробку и внутреннюю часть колбы, а также записать температуру перед сбором данных.
   • После сбора данных для этого испытания охладите воду примерно до 40 °C и проведите четвертое испытание.
   • Как только вы закончите все четыре испытания, опустошите фильтрующую колбу и промойте ее в стакане для отходов в последний раз.
   • Утилизируйте все излишки 0,5 M Fe(NO₃)₃ и содержимое стакана для отходов в контейнер с маркировкой для отходов водного железа.
   • Затем разбери аппарат и вылей оставшийся лед, воду и перекись водорода в раковину. Мойте стеклянную посуду в соответствии со стандартным протоколом вашей лаборатории.
2. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть

   Разложение перекиси водорода с железом — это сложный, многоступенчатый процесс, который мы не можем легко описать в одном уравнении. Тем не менее, мы можем оценить кажущуюся энергию активации по скорости производства кислорода и сравнить ее с кажущейся энергией активации некатализируемого процесса.

   • Найдите скорость изменения давления, которая прямо пропорциональна скорости производства кислорода. Для каждого эксперимента постройте график давления по отношению ко времени и найдите точку, где началась реакция.
   • Определите достигнутое максимальное давление и определите наклон между двумя точками.
   • После того, как вы определили уклоны и соответствующие температуры в Кельвине для всех температур, используйте уравнение Аррениуса для оценки кажущейся энергии активации этой реакции.
   • Возьмем обратное значение температур в Кельвинах и естественное логарифмическое значение скорости изменения давления. Помните, что константа скорости k по существу равна изменению давления.
   • Построи график Аррениуса и найди наклон линии.
   • Наклон равен отрицательной энергии активации над универсальной газовой постоянной, поэтому умножьте наклон на отрицательную универсальную газовую константу, чтобы получить кажущуюся энергию активации катализируемой железом реакции разложения. Вы увидите значение в диапазоне 35–60 кДж/моль, потому что железный катализатор заставил разложение потреблять меньше энергии. Кажущаяся энергия активации некатализированного разложения перекиси водорода составляет около 78 – 88 кДж/моль.