物理化学实验报告讲义一级反应动力学—H2O2 催化分解速率系数的测定
过氧化氢催化分解速率常数的测定
过氧化氢催化分解速率常数的测定一、实验原理过氧化氢（H2O2）在存在催化剂的情况下，能够催化分解成水和氧气。
该反应速率与催化剂种类、催化剂浓度、温度等因素有关。
过氧化氢的分解反应可以用如下反应式表示：2H2O2 → 2H2O + O2在一定的反应条件下，反应速率的快慢可以通过测定反应的速率常数来确定。
速率常数k的单位是mol/(L/s)，表示单位时间内单位体积溶液中反应物的消耗量。
二、实验目的1. 了解催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响；2. 能够通过实验测定速率常数k。
三、实验仪器和试剂1. 50 mL锥形瓶、滴定管、分液漏斗、实验管夹等；2. 过氧化氢（H2O2）、氯化铁铵六水合物（NH4Fe(SO4)2·6H2O）。
四、实验步骤1. 实验前准备（1）空气中存在的灰尘和微生物等会影响实验结果，因此需先将仪器、试剂及其他必需的物品仔细清洗干净。
（2）将50 mL锥形瓶放入水浴中，加热至50℃。
2. 实验操作（1）将实验管夹夹住滴定管，用滴定管分别向50 mL锥形瓶中加入10 mL的H2O2溶液和2 mL的NH4Fe(SO4)2·6H2O溶液。
（2）迅速将实验管夹取下，并立即开始计时。
（3）记时，每隔30秒取出一个样品到冷水中浸泡降温。
（4）将样品移入滴定管中，加入一滴甲基橙指示剂，用已知浓度的Na2S2O3标准溶液滴定至淡黄色为止。
（5）按相同方法进行4次实验数据采集。
五、实验结果与分析序号时间t（min）[H2O2]（mol/L）实验室温度T（℃）Na2S2O3消耗量V （mL）1 0.5 0.020 21.8 22.02. 计算速率常数k值过氧化氢的分解反应速率遵循一级反应速率方程，即：-rate/k = d[H2O2]/dt = k[H2O2]根据速率方程，可用ln[H2O2]关于时间t的直线斜率来表示反应的速率常数k，其表达式是：其中，[H2O2]0为反应体系初始浓度，kt为反应时的ln[H2O2]的变化量。
[详细讲解]实验14过氧化氢催化分解反应速率常数的测定
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第 次课 4 学时实验14 过氧化氢催化分解反应速率常数的测定一、实验目的1. 测定过氧化氢催化分解反应速率常数；2. 掌握通过测量反应系统的体积跟踪反应系统浓度从而研究反应速率的方法。
二、实验原理过氧化氢在没有催化剂存在时，分解反应进行的很慢。
加入催化剂能够提高分解速率。
过氧化氢分解反应的化学计量式如下：H 2O 2(l) = H 2O(l) + 1/2O 2(g)若以KI 为催化剂，在KI 作用下催化分解步骤为：KI(l) + H 2O 2(l) = KIO + H 2O(l) （慢）KIO = KI(l) + 1/2O 2(g)由于第一步的速率比第二步慢得多，所以，第一步为反应的控制步骤。
因而可以假定其反应的速率方程式为：-dc A /dt =k ’c KI c A式中，c A 为反应系统中反应到t 时刻H 2O 2浓度，因KI 在反应过程中浓度不变，故上式可简化为- d I c A /dt = k I c A （14.1）式中k=k ’c KI , 将上式分离变量积分：当 t=0 时， C A =C 0 ；t=t 时， C A =C t;定积分式为：⎰⎰=-AA C C t A Ak d t c dc 00（14.2）积分结果：0ln ln c kt c t +-= （14.3）式是t c t ~ln 的直线方程。
反应进行过程中，测定不同时刻 t 时反应系统中氧气的浓度c t ，取得若干组c t 、t 的数据后，以lnc t 对t 作图，得一直线，表明该反应为一级反应（准一级反应），直线斜率为-k 。
物理化学的研究方法是采用物理的方法测定反应系统某组分的浓度，所谓物理的方法是利用反应系统某组分或各组分的某些物理性质（如体积、压力、电动势、折光率、旋光度等）与其有确定的单值函数关系的特征，通过测量系统中该物理性质的变化，间接测量浓度变化。
此种物理化学的实验方法最大的优点是可以跟踪系统某组分或各组分的物理性质的变化，从而，不需要终止反应，便可以随时测定某一时刻反应系统某组分或各组分的浓度。
过氧化氢催化分解反应速率常数的测定
过氧化氢催化分解反应速率常数的测定一、实验目的（1）了解过氧化氢催化分解反应速率常数的测定方法。
（2）熟悉一级反应的特点，了解催化剂对反映速率的影响。
（3）掌握用图解计算法求反应速率常数。
二、实验用品1、仪器玻璃反应容器1个、水准瓶1个、50mL量气管1个、超级恒温槽1套、三通活塞1个、秒表1块、10mL量筒1个、5mL吸量管2支、胶管3m。
2、药品质量分数为2%的H2O2溶液（新鲜配制）、0.1mol·L-1KI溶液。
三、实验原理与技术过氧化氢很不稳定，在常温下的分解反应式为：H2O2→H2O+1/2O2（Ⅰ）在KI作用下的分解反应机理为：H2O2+KI→KIO+ H2O （慢）（Ⅱ）KIO→KI+1/2O2 （快）（Ⅲ）（Ⅱ）式是H2O2分解的速控步骤，H2O2分解反应的反应速率方程为：－dc H2O2/d t=k´c H2O2·c KI （Ⅳ）因为c KI近似不变，（Ⅳ）式可简化为：－dc H2O2/d t=k c H2O2 （Ⅴ）（其中k=k´c KI）。
H2O2的催化分解反应为一级反应，对（Ⅴ）式积分可得：ln（c/ c0）=－kt （Ⅵ）（其中c0为H2O2的初始浓度；c为反应至t时刻H2O2的浓度；k为H2O2的催化分解反应的速率常数）。
反应的半衰期为：t1/2= ln2/k=0.693/k （Ⅶ）在等温等压条件下，在H2O2的分解反应中，氧气体积增长速率反映了H2O2的分解速率，本实验就是通过测定不同时刻放出的氧气的体积，间接地求出H2O2在相应时刻的浓度，这种方法称为物理法。
令ⅴ∞表示H2O2全部分解放出的O2的体积；ⅴt表示反应至t时刻放出的O2的体积；则由（Ⅰ）式可看出：定温定压下反应产生的O2的体积ⅴt与被消耗的H2O2的浓度成正比，而ⅴ∞则与H2O2的初始浓度成正比，且两者比例系数为定值，则：c。
∝ⅴ∞；c∝（ⅴ∞-ⅴt）。
代入（Ⅵ）式可得：ln[（ⅴ∞-ⅴt）/ⅴ∞]=－kt （Ⅷ）→ln（ⅴ∞-ⅴt）=－kt＋lnⅴ∞（Ⅸ）（其中ⅴ∞可以通过外推法或加热法求得）。
物理化学 量气法测定过氧化氢催化分解反应速率常数
实验 量气法测定过氧化氢催化分解反应速率常数一、实验目的1. 学习使用量气法研究过氧化氢的分解反应2. 了解一级反应的特点，掌握用图解计算法求反应速率常数。
二、实验原理H 2O 2在室温下，没有催化剂存在时，分解反应进行得很慢，但加入催化剂（如Pt 、Ag 、MnO 2、碘化物）时能促使其较快分解，分解反应按下式进行：H 2O 2H 2O +12O2→ (C2-1)在催化剂KI 作用下，H 2O 2分解反应的机理为：H 2O 2H 2O ++KI KIO （慢）→ (C2-2)KIO KI +12O2（快）→ (C2-3)整个分解反应的速度由慢反应(C2-2)决定：222222O H KI O H O H c c k dt dc =- (C2-4)式中c 表示各物质的浓度(mol ·L -1)，t 为反应时间(s )，22O H k 为反应速率常数，它的大小仅决定于温度。
在反应中作为催化剂的KI 的浓度保持不变，令KI O H 122c k k ⋅=，则2222O H 1O H c k dtdc =-(C2-5)式中k 1为表观反应速率常数。
此式表明，反应速率与H 2O 2浓度的一次方成正比，故称为一级反应。
将上式积分得：01ln ln c t k c t +-= (C2-5)式中c 0、c t 分别为反应物过氧化氢在起始时刻和t 时刻的浓度。
反应半衰期为：112/1693.02ln k k t ==(C2-6) 由反应方程式可知，在常温下，H 2O 2分解的反应速度与氧气析出的速度成正比。
析出的氧气体积可由量气管测量。
令V ∞表示H 2O 2全部分解所放出的O 2体积，V t 表示H 2O 2在t 时刻放出的O 2体积，则)(t t V V c -∝∞。
将该关系式带入(C2-5)，得到∞∞+-=-V t k V V t ln )ln(1 (C2-7)本实验采用静态法测定HO2分解反应速率常数，实验装置见图C2-1。
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实验 量气法测定过氧化氢催化分解反应速率常数一、实验目的1.学习使用量气法研究过氧化氢的分解反应2.了解一级反应的特点，掌握用图解计算法求反应速率常数。
二、实验原理H 2O 2在室温下，没有催化剂存在时，分解反应进行得很慢，但加入催化剂（如Pt 、Ag 、MnO 2、碘化物）时能促使其较快分解，分解反应按下式进行：(C2-1)H 2O 2H 2O +12O2¡ú在催化剂KI 作用下，H 2O 2分解反应的机理为：(C2-2)H 2O 2H 2O ++KI KIO £¨Âý£©¡ú(C2-3)KIO KI +12O2£¨¿ì£©¡ú整个分解反应的速度由慢反应(C2-2)决定：(C2-4)222222O H KI O H O H c c k dt dc =-式中c 表示各物质的浓度(mol·L -1)，t 为反应时间(s )，为反应速率常数，它的大小仅决22O H k 定于温度。
在反应中作为催化剂的KI 的浓度保持不变，令，则KI O H 122c k k ⋅= (C2-5)2222O H 1O H c k dtdc =-式中k 1为表观反应速率常数。
此式表明，反应速率与H 2O 2浓度的一次方成正比，故称为一级反应。
将上式积分得：(C2-5)01ln ln c t k c t +-=式中c 0、c t 分别为反应物过氧化氢在起始时刻和t 时刻的浓度。
反应半衰期为：(C2-6)112/1693.02ln k k t ==由反应方程式可知，在常温下，H 2O 2分解的反应速度与氧气析出的速度成正比。
析出的氧气体积可由量气管测量。
令V ∞表示H 2O 2全部分解所放出的O 2体积，V t 表示H 2O 2在t 时刻放出的O 2体积，则。
量气法测定过氧化氢催化分解反应速率系数 ghz
O2
决定整个 反应的速率
( 慢)
( 快)
反应的速率方程：
dcH2O2 dt
k c c H2O2 KI H2O2
速率方程
dcH2O2 dt
k c c H2O2 KI H2O2
cKI为定值
令 k1 k c H2O2 KI
dcH2O2 dt
k c1 H2O2
一级反应
积分
ct c0
dcH2O2 cH2O2
三、实验仪器与试剂
仪器：H2O2分解测定装置; 超级恒温槽; 5 mL移液管
试剂：H2O2溶液 (3％); KI溶液 (0.2 mol/L)
四、实验步骤
1. 调节超级恒温水槽的温度；
2. 用双连球鼓气，使皂膜润湿气管壁，并在量气管下部压出3～5个 皂膜备用（润湿和压皂膜时，三通都必须调至双连球和量气管两通的 状态，皂膜压好后，三通可调至三不通状态备用）；
mL; 浓度: mL; 浓度:
; mol∙L-1.
五、数据记录与处理
数据处理
t / min ０ １ ２ ３ … ８ ９ 10 11 12 ∞
zt / mL
Vt / mL
V Vt
mL
ln
VmLVt
注意有效数字的运算规则及对数的有效数字
(1) 原始数据以表格的形式在报告中列出；
(2) 举一例写出数据处理的计算过程 (要代入数据)；
反应动力学实验
量气法测定过氧化氢催化分解反应 速率系数
物理化学实验室
一、实验目的
1.测定H2O2分解反应的速率系数和级数； 2.了解一级反应的特点。 过氧化氢催化分解反应是一级反应
二、实验原理
H2O2
KI
H2O
一级反应过氧化氢分解反应速率测定
过氧化氢催化分解反应速率常数的测定一、实验目的（1）了解过氧化氢催化分解反应速率常数的测定方法。
（2）熟悉一级反应的特点，了解催化剂对反映速率的影响。
（3）掌握用图解计算法求反应速率常数。
二、实验用品1、仪器玻璃反应容器1个、水准瓶1个、50mL量气管1个、超级恒温槽1套、三通活塞1个、秒表1块、10mL量筒1个、5mL吸量管2支、胶管3m。
2、药品质量分数为2%的H2O2溶液（新鲜配制）、0.1mol·L-1KI溶液。
三、实验原理与技术过氧化氢很不稳定，在常温下的分解反应式为：H2O2→H2O+1/2O2（Ⅰ）在KI作用下的分解反应机理为：H2O2+KI→KIO+ H2O （慢）（Ⅱ）KIO→KI+1/2O2（快）（Ⅲ）（Ⅱ）式是H2O2分解的速控步骤，H2O2分解反应的反应速率方程为：－dcH2O2/d t=k´cH2O2·cKI（Ⅳ）因为cKI近似不变，（Ⅳ）式可简化为：－dcH2O2/d t=k cH2O2（Ⅴ）（其中k=k´cKI）。
H2O2的催化分解反应为一级反应，对（Ⅴ）式积分可得：ln（c/ c0）=－kt （Ⅵ）（其中c0为H2O2的初始浓度；c为反应至t时刻H2O2的浓度；k为H2O2的催化分解反应的速率常数）。
反应的半衰期为：t1/2= ln2/k=0.693/k （Ⅶ）在等温等压条件下，在H2O2的分解反应中，氧气体积增长速率反映了H2O2的分解速率，本实验就是通过测定不同时刻放出的氧气的体积，间接地求出H2O2在相应时刻的浓度，这种方法称为物理法。
令ⅴ∞表示H2O2全部分解放出的O2的体积；ⅴt表示反应至t时刻放出的O2的体积；则由（Ⅰ）式可看出：定温定压下反应产生的O2的体积ⅴt与被消耗的H2O2的浓度成正比，而ⅴ∞则与H2O2的初始浓度成正比，且两者比例系数为定值，则：c。
∝ⅴ∞；c∝（ⅴ∞-ⅴt）。
代入（Ⅵ）式可得：ln[（ⅴ∞-ⅴt）/ⅴ∞]=－kt （Ⅷ）→ln（ⅴ∞-ⅴt）=－kt＋lnⅴ∞（Ⅸ）（其中ⅴ∞可以通过外推法或加热法求得）。
一级反应过氧化氢分解反应速率测定
过氧化氢催化分解反应速率常数的测定一、实验目的（1）了解过氧化氢催化分解反应速率常数的测定方法。
（2）熟悉一级反应的特点，了解催化剂对反映速率的影响。
（3）掌握用图解计算法求反应速率常数。
二、实验用品1、仪器玻璃反应容器1个、水准瓶1个、50mL量气管1个、超级恒温槽1套、三通活塞1个、秒表1块、10mL量筒1个、5mL吸量管2支、胶管3m。
2、药品质量分数为2%的H2O2溶液（新鲜配制）、0.1mol·L-1KI溶液。
三、实验原理与技术过氧化氢很不稳定，在常温下的分解反应式为：H2O2→H2O+1/2O2（Ⅰ）在KI作用下的分解反应机理为：H2O2+KI→KIO+ H2O （慢）（Ⅱ）KIO→KI+1/2O2（快）（Ⅲ）（Ⅱ）式是H2O2分解的速控步骤，H2O2分解反应的反应速率方程为：－dcH2O2/d t=k´cH2O2·cKI （Ⅳ）因为cKI近似不变，（Ⅳ）式可简化为：－dcH2O2/d t=k cH2O2 （Ⅴ）（其中k=k´cKI）。
H2O2的催化分解反应为一级反应，对（Ⅴ）式积分可得：ln（c/ c0）=－kt （Ⅵ）（其中c0为H2O2的初始浓度；c为反应至t时刻H2O2的浓度；k为H2O2的催化分解反应的速率常数）。
反应的半衰期为：t1/2= ln2/k=0.693/k （Ⅶ）在等温等压条件下，在H2O2的分解反应中，氧气体积增长速率反映了H2O2的分解速率，本实验就是通过测定不同时刻放出的氧气的体积，间接地求出H2O2在相应时刻的浓度，这种方法称为物理法。
令ⅴ∞表示H2O2全部分解放出的O2的体积；ⅴt表示反应至t时刻放出的O2的体积；则由（Ⅰ）式可看出：定温定压下反应产生的O2的体积ⅴt与被消耗的H2O2的浓度成正比，而ⅴ∞则与H2O2的初始浓度成正比，且两者比例系数为定值，则：c。
∝ⅴ∞；c∝（ⅴ∞-ⅴt）。
代入（Ⅵ）式可得：ln[（ⅴ∞-ⅴt）/ⅴ∞]=－kt （Ⅷ）→ln（ⅴ∞-ⅴt）=－kt＋lnⅴ∞（Ⅸ）（其中ⅴ∞可以通过外推法或加热法求得）。
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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。