實驗十:驗證過氧化氫的分解屬一級反應

引言

化學反應的速率受反應物濃度影響。從實驗求出的速率方程式可反映濃度對反應速率的影響。

以過氧化氫的分解為例,如反應是一級的,則速率方程式可寫成:

速率 = k [H2O2]

用微積分表示法,則可寫成:

在上式中 a 是過氧化氫的起始濃度 (單位是 mol dm- 3);x 是當時間為 t 時的已分解過氧化氫的濃度;k 是速率常數。把上式積分後,k 與 t 的關係可用下式表示:

(式一)

化學藥品

6 體積 (1.8% w/v) H2O2、0.1 M KMnO4、硼酸鹽緩衝液 (把 3.1 g 的硼酸溶於 25 cm3 的 1 M NaOH 後,稀釋至 250 cm3)、稀 H2SO4

儀器

秒錶、100 cm3 量筒、10.0 cm3 移液管、滴定儀器

步驟

1. 使用一容量瓶把 10.0 cm3 的 0.1 M 錳(VII)酸鉀溶液稀釋至 250 cm3。

2. 利用量筒分別把 150 cm3 的去離子水、10 cm3 的 6 體積過氧化氫溶液、50 cm3 的硼酸鹽緩衝液和 10 cm3 的已稀釋錳(VII)酸鉀溶液,注進一個 250 cm3 錐形瓶中。溶液中的錳(VII)酸鉀會被部分的過氧化氫還原成膠體狀的氧化錳(IV),此物質是過氧化氫分解反應的催化劑。

3. 接著用移液管把 10.0 cm3 的反應混合物轉到另一個盛有 10 cm3 稀 硫(VI)酸的錐形瓶中,並隨即啟動秒錶。【危險警告:稀硫(VI)酸有腐蝕性。】

4. 用已稀釋的錳(VII)酸鉀溶液滴定該 10.0 cm3 樣本內剩餘的過氧化氫。

5. 經大約 5、10、15、20、25 和 30 分鐘後,分別吸取樣本,並用前述方法測定樣本內剩餘的過氧化氫。記錄樣本加進稀硫(VI)酸時的實際時間。

6. 把結果填進下表中。

時間

/ 分

滴定管最後讀數

/ cm3

滴定管起始讀數

/ cm3

KMnO4 的體積

/ cm3

0

     

5

     

10

     

15

     

20

     

25

     

30

     

討論

假若在反應開始時,需用 Vo cm3 的錳(VII)酸鉀溶液來把過氧化氫氧化,而經時間 t 後,則需 Vt cm3。在此兩時間中,過氧化氫的濃度分別與 Vo 和 Vt 成正比。因此,從式一可得:

1. 完成下表:

t

/ 分

Vo

/ cm3

Vt

/ cm3

Vo�n�{ Vt

/ cm3

0

       

5

       

10

       

15

       

20

       

25

       

30

       

2. 繪出以下各圖像:

(a) Vt 對 t

(b) Vo - Vt 對 t

(c) 對 t

3. 從圖像 (c) 所示,該反應是否屬一級反應?解釋你的答案。

4. 對一級反應來說,反應物的起始濃度減半所需的時間是:

= 常數

時間 t1/2 與起始濃度無關。換言之,反應中過氧化氫的濃度從起始濃度減至一半、或從一半減至四分之一,又或從四分之一減至八分之一,各階段所需的時間皆相同。從圖像 (a) 和 (b) 中讀取這些時間,並填進下表內:

從圖像 (a) 所得數值

從圖像 (b) 所得數值

Vo 至 Vo/2

   

Vo/2 至 Vo/4

   

Vo/4 至 Vo/8

   

從這些結果你可觀察到些甚麼?