Изучение гомогенного катализа в реакции диспрпорционирования пероксида водорода

Новосибирский государственный университет

Лабораторная работа по химической кинетике

Тема: Гомогенный катализ диспропорционирования Н₂О₂

аква-ионами Fe²⁺. Волюмометрический метод.

Выполнили:

Ст. 341 гр. Марцинкевич Владислав

Ст. 341 гр. Ющенко Дмитрий

Проверил: Калинкин Пётр Николаевич

Новосибирск 2006

1.         Цель работы: Изучение гомогенного катализа в реакции диспрпорционирования пероксида водорода.

2.         Теоретическая часть:

Реакция диспропорционирования Н₂О₂.

Легкость разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород является характерным свойством этого соединения:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

Реакция ускоряется под действием излучений, например, ультрафиолетового света, а также в присутствии гетерогенных и гомогенных катализаторов.

Гомогенный катализ диспропорционирования перекиси водорода в присутствии соединений железа изучен наиболее подробно и глубоко, хотя и в этом случае на некоторые вопросы, касающиеся механизма реакции, не получено однозначного ответа. На сегодняшний день экспериментально более обоснованным считается циклический ион-радикальный механизм диспропорционирования перекиси водорода в системе « аква-ионы Fe²⁺ - H₂O₂ » (реагент Фентона), включающий в общем случае следующие стадии:

1.  Fe²⁺ + Н₂О₂ → Fe³⁺ + ^.ОН + ОН^-

2.  Fe²⁺ + ^.ОН → Fe³⁺ + ОН^-

3.  ^.ОН + Н₂О₂ → НО₂^. + Н₂О

4.  Fe³⁺ + НО₂^. → Fe²⁺ + О₂ + Н⁺

4^”.                                Fe3⁺ + О₂^.- → Fe²⁺ + О₂

5.  Fe²⁺ + НО₂^.→ Fe³⁺ + НО₂^-

Особенностью данного типа механизма является невозможность выделить стадии продолжения цепи, а ответственные за разложение перекиси водорода активные частицы – ионы Fe²⁺ , Fe³⁺ и радикалы. ОН, НО₂^.(О₂^.-).

Вся совокупность стадий 1-5 реализуется лишь при условии 0,5 < [Н₂О₂]/[Fe²⁺] <200; при 200 < [Н₂О₂]/[Fe²⁺] <<1*10⁴ протекают стадии 1, 3, 4(4^’) и 5, наконец, в случае [Fe²⁺]/[Н₂О₂] ≥ 2 схема механизма включает лишь две стадии – 1 и 2, отражающие процесс стехиометрического окисления Fe²⁺ в Fe³⁺ , при этом диспропорционирование Н₂О₂ не протекает вовсе. Поскольку в ходе процесса каталитического диспрпорционирования Н₂О₂ по брутто-реакции выделяется молекулярный кислород, простым, удобным и весьма чувствительным способом слежения за кинетикой реакции является волюмометрический метод. При применении данного метода было установлено, что скорость газовыделения W₂^o в системе “Fe²⁺ - Н₂О₂” растет прямо пропорционально концентрациям Fe²⁺ и Н₂О₂. Показано также, что W₂^o растет с увеличением pH раствора, что связывают с конкуренцией стадий 4 и 4^” .

В данной работе изучается кинетика реакции разложения Н₂О₂ в присутствии аква-ионов Fe²⁺ в гомогенных условиях (pH растворов в областях 1-3) волюмометрическим методом.

3.         Экспериментальная часть:

Приготовили растворы примерно нужных концентраций Fe²⁺ и Н₂О₂ и определили точное содержание компонентов титрованием.

Провели три эксперимента с варьированием концентрации и Н₂О₂. Полученные данные приведены ниже.

 Y = A + B * X

Parameter    Value  Error

-----------------------------------------------------------A      0,0058             0,0052

В данном случае k_эфф составляет 0,031 мин^-1.

Y = A + B * X

Parameter    Value  Error

-----------------------------------------------------------A      -0,012             0,004

В данном случае k_эфф составляет 0,081 мин^-1

Y = A + B * X

Parameter    Value  Error

-----------------------------------------------------------A      -0,1                 0,04

Следующий этап эксперимента:

Таким образом было показано, что исследуемая реакция имеет первый порядок по перекиси водорода, является каталитической, кроме того была определена k_эф.

После работы появились навыки практической работы с газоволюметрической установкой м навыки изучения кинетик реакций. Работу можно считать выполненной успешно, полученные результаты хорошо согласуются со справочными данными.