实验31 一级反应动力学—H 2O 2催化分解速率系数的测定 预习要求
1． 本实验中使用什么物质作为催化剂；其使用时的注意事项。

2． 本实验反应过程中反应物浓度的变化的表示方法。

3． 反应速率系数的概念及影响因素。

实验目的
1．了解催化剂在催化反应中的作用特征。

2．测量H 2O 2催化分解反应的速率系数及表观活化能。

实验原理
对于反应： a A + b B = y Y + z Z
其反应速率与反应物的量浓度的关系可通过实验测定得到。

多数反应的速率方程的形式为：
υA = k A c A
α c B β 若实验确定某反应物A 的消耗速率与反应物A 的浓度的一次方成正比，则该反应对A 为一级反应。

其反应速率方程为：
—d c A / d t = k A c A （3-19） 以过氧化氢分解反应为例，H 2O 2 → H 2O + ½O 2
实验证明过氧化氢分解反应的反应速率与H 2O 2（A ）浓度的关系符合式（3-19）。

将式（3-19）积分得：
ln （c A / c A ，0）= -k A t （3-20） 式中：k A ——反应速率系数；
c A ——反应时刻为t 时H 2O 2的浓度；
c A,0——反应开始前H 2O 2的浓度。

在反应不同时刻测得H 2O 2的浓度,代入式(3-20)即可求出反应速率系数k A 。

H 2O 2分解过程中有O 2放出。

若保持生成O 2的温度、压力不变，可通过测量放出O 2的体积，经过代换得到溶液中H 2O 2的浓度。

设浓度为c A ，0的H 2O 2全部分解放出的氧气体积为V ∞，反应时刻t 时H 2O 2分解放出的氧气体积为V t ，则
c A ，0∝V ∞ ； c A ∝（V ∞ – V t ）
将以上关系式代入式（3-20）得：
t k V V V t A ∞
∞-=-ln
（3-21） 或 V t k )V V (t ∞A ∞lg +2.303-=-lg （3-22） 以lg （V ∞-V t ）对t 作图。

如果得直线，则可验证过氧化氢分解反应为一级反应。

由直线斜率可求得反应速率系数k A 。

按照阿仑尼乌斯方程： ⎪⎭⎫ ⎝⎛--=T T R E k k a 121
211ln (3-23) 只要正确测量了两个温度下的速率系数,就可以利用式(3-23)计算反应的表观活化能。

H 2O 2分解反应的速率受H 2O 2的浓度，反应温度，pH ，催化剂种类及浓度等因素的影响。

本实验选用Fe(NH 4)(SO 4)2 做催化剂，测得的速率系数与温度、Fe 3+离子浓度和溶
液的pH有关。

如果反应温度高于60o C，Fe(NH4)(SO4)2容易因水解而失效。

仪器和药品
仪器：恒温槽；反应瓶及稳压系统；秒表；100 mL容量瓶；50 mL移液管；吸液管；滴瓶等。

药品：H2O2（aq.，w B=0.3）；Fe(NH4)(SO4)2（aq.,0.2 mol·dm-3）
图3-17 过氧化氢催化分解装置示意图
1.反应瓶；
2.催化剂储瓶；
3.恒温水浴槽；
4.加热器；
5.温度计；
6.搅拌机；
7.三
通阀；8.压力平衡管；9.量气管；10.玻璃三通；11.二通阀；12.胶皮管；13.高位
储水瓶；14.铁架台
实验步骤
1．调节恒温水浴至设定温度，回差为0.1o C。

取适量w B≈0.3的H2O2（aq.），稀释至100 mL。

2．检查装置气密性：取一套干燥反应器，按图3-17装配好仪器，打开二通阀举起水位瓶使两管水位升到中间位置，关闭二通阀放下水位瓶，把三通阀放到反应瓶与量气管相通与大气隔绝的位置，打开两通阀把水放回水位瓶一部分，观察量气管液面开始下降，然后停在某高度上，保持2 min不变就说明系统不漏气。

3．测量V t：取稀释后的H2O2（aq.）10 mL放入反应管1中，取催化剂2 mL放入储瓶2中，小心连接好仪器，勿让二者混合，放入恒温槽中恒温10 min。

恒温时把量气管的液面调至0刻度，使平衡管的液面与量气管保持水平。

三通阀通大气，把两种溶液混合均匀（先将盛有催化剂的储管向上旋转180度，使催化剂全部流入反应管，然后轻轻振摇反应管）。

当有大量气泡冒出时，调节三通阀使反应瓶与量气管相通而与大气隔绝，同时开始计时。

记录生成不同体积氧气所需时间。

需记录6—7个点。

4．测量V∞：将反应管置于50~60℃的热水中，使过氧化氢完全分解。

然后放回恒温水浴中恒温5 min后读取气体体积。

5．改变恒温槽的温度，测量另一温度下的速率常数。

注意事项：
（1）因H2O2长期放置会因分解而浓度降低，因此稀释时H2O2的取用量应根据浓度适当调整，一般为3~5 mL。

（2）为了保持反应系统压力恒定，应该随时保持量气管液面与平衡管液面在同一个水平面上。

每次读取气体体积时一定要使量气管和平衡管的液面相平。

（3）为防止催化剂分解，测V∞时，热水温度不要超过60℃。

数据处理
1．以lg（V∞–V t）对t作图，从所得直线斜率中求出反应速率系数k A。

2．写出以过氧化氢的消耗速率表示的过氧化氢分解反应的速率方程。

3．按式（3-23）计算反应的表观活化能E a。

思考题
1．反应速率系数与哪些因素有关？
2．过氧化氢的浓度是否要配得很准？加入反应瓶的过氧化氢体积是否要准确？硫酸高铁铵溶液的体积和浓度是否要准确？为什么？
3．反应过程中，如果量气管液面与平衡管液面不在同一个水平面上，对反应有何影响？
4．c A,0∝V∞；c A，t∝(V∞- V t)的比例常数等于什么？
知识拓展
1．测定各反应时刻指定物质的浓度可用化学分析法（简称化学法），也可用物理分析方法（简称物理法）。

化学法是指在反应过程中每隔一定时间取出一部分反应混合物，使用骤冷、酸碱中和、或试剂稀释等方法使反应迅速停止，记录时间，分析后可直接求出浓度。

物理法是测量反应系统在指定时刻某一物理性质（如电导，折射率，体积，压力，旋光度等），然后通过相关计算求出指定物质在相应时刻的浓度。

相对于化学法，虽然物理法需要一定的仪器设备，但具有时间短、速度快，不必终止反应的优点。

所选择的待测物理量一般满足以下要求：
（1）该物理性质与反应系统中某物质的浓度要有确定的函数关系。

（2）在反应过程中反应系统的该物理性质要有明显变化且方便可测。

（3）不能有影响测定的干扰因素，或有干扰因素但可以有办法消除之。