Работа 5.2. Изучение кинетики гомогенно-каталитического разложения Н2О2 .

Цель работы – Получить зависимости количества выделившегося кислорода от времени реакции при различных концентрациях катализатора и Н₂О₂, провести расчеты степени разложения Н₂О₂, скорости и константы скорости реакции, определить порядки реакции.

Перекись водорода в водных растворах самопроизвольно разлагается с образованием воды и кислорода

С катализаторами реакция значительно ускоряется, например, при введении в раствор ионов железа, меди, иода, бихромат-иона (гомогенно-каталитическое разложение) и в присутствии металлов – платины, кобальта и т.д. (гетерогенно-каталитическая реакция). В организме человека разложение перекиси водорода, образующейся в процессе обмена веществ, происходит под действием фермента каталазы (ферментативный катализ). Каталитические реакции являются сложными реакциями, протекающими в несколько стадий.

Порядком сложной реакцииназывается показатель степени при концентрации данного вещества (частный порядок) в уравнении зависимости скорости реакции от концентрации реагентов. Экспериментальное определение порядков реакции позволяет подтвердить (или опровергнуть) предполагаемый механизм реакции, найти константы стадий этого механизма.

Гомогенно-каталитическое разложение перекиси водорода в растворе под действием бихромат-иона в общем виде можно представить двумя стадии. В первой обратимой реакции образуются ионы промежуточного соединения , которые необратимо распадаются с выделением кислорода и исходного :

1.

2.

Если более медленно стадией (лимитирующей) является распад иона , то общая скорость реакции будет пропорциональна их концентрации

, 5.32

где - константа скорости второй стадии реакции.

Концентрацию промежуточного соединения можно выразить через константу равновесия первой стадии

, 5.33

где

- исходная (начальная) концентрация катализатора,

- равновесная концентрация катализатора,

- концентрация промежуточного продукта,

- равновесная концентрация перекиси водорода.

Вода находится в большом избытке, и её концентрацию можно считать постоянной. Выразив концентрацию ионов из (5.33) и подставив её в уравнение (5.32), получим

5.34

откуда следует что

· скорость процесса линейно увеличивается с ростом концентрации катализатора,

· порядок реакции по может изменяться от 0 до 2 (среднее значение n = 1).

Действительно, если равновесие сдвинуто в сторону образования промежуточного продукта, т.е. в уравнении (5.34) , порядок реакции по перекиси водорода равен нулю и скорость реакции равна . В случае, когда , равновесие сдвинуто в сторону исходного вещества и , то есть порядок реакции по перекиси водорода равен 2. Заметим, что сдвиг равновесия в ту или иную сторону зависит от температуры, поэтому порядок реакции может изменяться.

Поскольку сдвиг равновесия в ту или иную сторону зависит от температуры, порядок реакции разложения перекиси водорода изменяется с температурой.