物理化学实验

实 验 八 过氧化氢的催化分解

一、目的与要求

1、测定过氧化氢催化分解反应的表观反应速率与半衰期。 2、熟悉一级反应的特点，了解反应物浓度、温度以及催化剂等因素对一级反应速率的影响。

3、掌握动力学数据的图解处理方法。 二、基本原理

过氧化氢在没有催化剂存在时，分解反应进行得很慢，加入催化剂可使分解反应速率明显加快。过氧化氢的分解反应为：

H2O2 -→ H2O +

1

O2 ⑴ 2

详细的催化动力学研究发现：H2O2在KI作用下的催化分解，按下列步骤进行

KI + H2O2 -→ KIO + H2O 慢步骤 ⑵ KIO -→ KI +

1

O2 ⑶ 2

总的反应速率由最慢的步骤(即控速步骤)决定，故速率方程为：

dCH2O2

dt

kCKICH2O2 ⑷

由于在反应过程中，KI在步骤⑵中的消耗等于在步骤⑶中的生成，即其浓度CKI保持不变，为一常数值(KI的初浓度)，所以可将CKI并入到速率常数k中去，有

r

dCH2O2

dt

kCKICH2O2 k'CH2O2 ⑸

物理化学实验

上式中，k’为在KI催化作用下过氧化氢分解反应的表观反应速率常数。显然从⑸可以看出H2O2的KI催化分解反应为准一级反应。积分上式

得 ln

Ct

k't ⑹ C0

Ct

C0

dCH2O2

dt

k'dt

t

式中：Ct——t时刻H2O2的浓度 C0——H2O2的初始浓度

因分解过程中，放出的氧气体积(定温定压下)与已分解的H2O2

的浓度成正比，且比例常数为定值。所以可以用易于从实验测定的氧气体积来表示相应时刻的H2O2浓度。若以V∞表示H2O2全部分解所放出的氧气体积，Vt表示H2O2在t时刻分解所放出氧气的体积，则有：

C0∝V∞ Ct∝(V∞－Vt)

则令 Ct=α(V∞－Vt) ⑺ 当t=0时，有 C0= α(V∞－V0)= αV∞ ⑻ 式中比例常数为定值。将⑺、⑻两式代入⑹式，可得 ln

CtV Vt

ln k't ⑼ C0V

若将氧气按理想气体近似处理(本实验条件下是允许的)，

则V∞可由H2O2的初浓度及体积换算得。按理想气体状态方程pV=nRT

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有 V

nO2RTp

式中：no——氧气的摩尔数

2

P——室内大气压。

又根据 H2O2 -→ H2O + 有 V

nO2RTp

2p

1

O2 2

nH2O2RT

⑽

H2O2的摩尔数可利用KMNO4标准溶液滴定得到。在强酸

性介质中，KMNO4滴定H2O2的反应为

5H2O2 + 2MnO4- + 6H+ -→2Mn2+ + 5O2 + 8H2O

则 nHO

2

2

5CKMnO4VKMnO4

2

5CKMnO4VKMnO4 RT

4p

所以 V

nO2RTp

nH2O2RT2p

⑾

三、仪器与试剂

1、 过氧化氢分解装置一套(包括250ml锥形反应瓶、水位瓶、50ml分液漏斗、电磁搅拌器一件、50ml滴定管两只)，停表一块。

2、10ml、5ml量筒各一只，50ml自动滴定管4套。

3、 2%H2O2溶液，0.1mol/dm-3 KI溶液，3mol/dm-3H2SO4溶液,0.04 mol/dm-3 KMNO4溶液。 四、实验内容及操作

1、标定H2O2水溶液的初浓度

用自动滴定管量取5ml H2O2溶液于250ml锥形瓶中，用量筒加5ml(3mol/dm-3)H2SO4溶液，以0.04 mol/dm-3 KMNO4溶液标准溶液滴

物理化学实验

定至淡红色出现为止，进行平行滴定。

2、分别量取15mlKI、20ml蒸馏水于250ml锥形反应瓶中，量取10ml H2O2溶液于50ml分液漏斗中。检查反应器是否漏气。

3、调节三通活塞使之处于三通状态。利用水位瓶调节量气管中液面的高度，使其恰在零刻度线后，关闭水位瓶活塞。在电磁搅拌下，将50ml分液漏斗中的H2O2加入反应器后，迅速关闭分液漏斗活塞。同时开动停表计时、以及调节三通活塞——使反应器与量气管相通、而与大气隔绝(以上几步应快速连续操作)。然后打开水位瓶活塞，使水位参考水平管中液面下降若干后，关闭此活塞。当量气管与参考水平管中水位相平时，同时记录量气管中水位(即气体体积增加值)与反应时间。依次测定六组数据，至量气管中液面降至50ml处为止。进行以上操作时，始终使电磁搅拌器保持均匀搅拌。

4、改用 20mlKI 15mlH2O 10mlH2O2 25mlKI 10mlH2O 10mlH2O2

30mlKI 5mlH2O 10mlH2O2(冬天室温低于15℃) 或 10mlKI 25mlH2O 10mlH2O2(夏天室温高于25℃) 重复上述2、3步骤。 五、实验记录

注意记录：室温、大气压。 六、数据处理

1、考虑到不同反应时刻水蒸气对氧气体积Vt测定的影响,其 Vt = xOV (1 xHO)V (1

2

2

pH2Op

)V ⑿

物理化学实验

式中：V——不同反应时刻量气管中体积测得值。

从附录查得，反应温度(室温)下水的饱和蒸气压pHO，按⑿式计

2

算不同反应时刻氧气体积Vt；

2、根据⑺式可知：以ln

V Vt

对t作图可得一直线，从直线的斜V

ln2

可计算此准一级反应的半衰k'

率可得表观反应速率常数。并按t1

2

期。

3、比较催化剂用量对分解速率的影响，注意考虑温度波动的影响。

七、思考与讨论

1、反应速率常数与哪些因素有关？

2、为什么要用某时刻氧气的体积，代替该时刻过氧化氢分解掉的浓度？

3、如何检查反应系统是否漏气？

4、除本实验所用的测定V∞方法外，你认为还有什么方法可以来确定V∞值？

5、如果你要测定此催化分解反应的活化能，本实验还需要做哪些改动？请谈谈你取得活化能数据的思路？

附 录：

物理化学实验

温度℃ PmmHg 温度℃

0 4.579 15

5 6.543 16 13.634 23 21.068 30 31.824

10 9.209 17 14.530 24 22.377 31 41.175

11 9.344 18 15.477 25 23.756

12 10.531 19

13 11.231 20

14 11.987 21 18.650 28 28.349

PmmHg 12.788 温度℃ 22

16.477 17.533 26 27

PmmHg 19.327 温度℃ 29

25.209 26.739

PmmHg 30.043