Kinetik: Katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid

Computergestützte Experimente - Messung: Volumen

Reaktionskinetik
Katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid
- eine Reaktion erster Ordnung

Ziel: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten und der Aktivierungsparameter

Peter Keusch

Messwerterfassung mit dem Programm "Messen und Auswerten" und
dem Analog-Digital-Wandler CASSY-E - LEYBOLD DIDACTIC
IBK electronic + informatic

English version

Chemikalien:
Kaliumchromat
Kaliumdichromat
Wasserstoffperoxid 30 %

Geräte und Glaswaren:
Magnetrührer
2 Magnetrührstäbchen
Rührstabentferner
Kristallisierschale d = 190 mm, h = 90 mm (für Wasserbad)
100 mL Dreihalsrundkolben mit 2 schrägen Seitenhälsen, Haupthals NS 29/32, Seitenhälse 14/23
Tropftrichter mit Druckausgleichsrohr NS 14
Übergangsstück NS 29 mit Silikonschlauch
Kontaktthermometer
Thermometer 0 - 50 °C (Auflösung: 0.1 °C)
Kolbenprober 100 mL
Vollpipette 3 mL
Vollpipette 10 mL
Vollpipette 30 mL
3 Peleusbälle
Wegaufnehmer mit Silikonschlauch und Gewicht
Verbindungskabel
Entsorgungskanister

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Kaliumdichromat kann Krebs erzeugen und erweist sich als verhängnisvoll wenn eingeatmet, verschluckt oder über die Haut aufgenommen. Reizt Augen und Atmungsorgane.
Kaliumchromat ist giftig und umweltgefährlich. Es führt zu Reizung und Schädigung von Haut und Schleimhäuten und schädigt Nieren, Blut und Leber. Kaliumchromat wirkt weiterhin mutagen und kanzerogen.

Wasserstoffperoxid 30 % ist giftig, ätzend - kann ernsthafte Verbrennungen bedingen. Augen können irreversibel geschädigt werden.

Schutzbrille und -handschuhe sind erforderlich beim Umgang mit Dichromat, Chromat und Wasserstoffperoxid. Das Experiment ist in einem gut durchlüfteten Raum durchzuführen. Die Bereitung einer Lösung von Kaliumdichromat und Kaliumchromat in Wasser wird in einem Abzug vorgenommen!

Messung des Volumens mit Hilfe eines "Wegaufnehmers"

Für die Messung von Gasvolumina, die bei chemischen Reaktionen anfallen, kommt ein Kolbenprober zum Einsatz. Entstehende Gase setzen den Kolben solange in Bewegung, bis der entsprechende Druckausgleich erreicht ist. Um den Reibungswiderstand zu kompensieren, wird am Kolben, der mit Graphitgleitmittel benetzt ist, ein Gewicht befestigt, das der Reibungskraft entgegen wirkt. Der Kolbenweg wird über eine Silikonschnur an einen Drehwiderstand übertragen und somit die Bewegung des Kolbens mit Hilfe eines "Wegaufnehmers" in elektrische Signale umgewandelt (Abb. 1).

Abb. 1: Apparatur zur Volumenmessung

Der Drehwiderstand ist Bauteil des „Wegaufnehmers" (Abb. 2), der durch den internen Schaltkreis Spannungen weiterleiten kann. Somit wird je nach Stellung des Drehwiderstandes eine dem Kolbenweg entsprechende Spannung weitergeleitet.

Abb. 2: Schaltplan des Wegaufnehmers

Zusammenbau des "Wegaufnehmers"

Stückliste:
Kunststoffgehäuse 10 × 4.9 × 5 cm
10-Gang-Wendelpotentiometer (P1), 10 kW +/- 5 %, lin +/- 0.25 %
Pontentiometer (P2), 22 kW lin, 0.25 Watt
Drehknopf, passend zu P2
Trimmpotentiometer (P3), 150 kW lin, 0.25 Watt
Widerstand (R1), 250 kW, 0.25 Watt
Widerstand (R2), 1 kW, 0.25 Watt
Rote Leuchtdiode D
Miniaturschalter S, EIN/AUS
2 Telefonbuchsen schwarz, 2 Telefonbuchsen rot
1 Metallstab (l = 13 cm), passend zu gängigen Stativklemmen
Silikonschlauch, passend auf Welle von P1
30 cm Schaltdraht

Literatur: Brand, B. H.: Eine Möglichkeit der weithin sichtbaren Demonstration des Gasinhaltes eines Kolbenprobers in Praxis der Naturwisssenschaften (Chemie) 10/79 (1979).

Abb. 3: Bohrungen im Gehäuse
Abb. 4: Ansicht des Wegaufnehmers

Das Kunststoffgehäuse wird mit Bohrungen verschiedener Durchmesser versehen (Abb. 3) und die Bauteile mit dem Gehäuse verschraubt. Anschließend verlötet man die Drähte und Widerstände gemäß Schaltplan (Abb. 2). Der Metallstab wird mit zwei Bohrungen versehen und am Boden des Gehäuses mit Karosserieschrauben befestigt.

Versuchsdurchführung:

Abb. 5: Versuchsaufbau

Kalibrierung des Messumformers:

Der Wegaufnehmer, an den eine Gleichspannung von 5 Volt agelegt wird, ist an den Steckplatz B des Interface angeschlossen.

Bevor die Spannungsquelle eingeschaltet wird, sollte überprüft werden, ob der Wert von ± 30 V nicht überschritten wird, da sonst das Interface geschädigt werden könnte. Ausgehend von 0 V erhöht man die Spannung langsam auf den Wert von 0.5 V. Ist eine konstante Spannung von 5.00 V erreicht worden, kann die Spannungsquelle an den Messumformer angeschlossen werden.

Im Programm 'Messen und Auswerten' wird das Unterprogramm 'Multimeter' aktiviert. Der Kolbenprober ist auf 0 mL eingestellt. Mit <F1> wird eine Messung gestartet. Man notiert den angezeigten Spannungswert. und bricht die Messung ab.
Mit Hilfe des registrierten Spannungswertes kann der Messumformer kalibriert werden.Über <F3> 'Meßgrößen auswählen'®'Kanal B neu wählen'®'Kalibrieren DC' öffnet sich ein Fenster 'B kalibrieren' in das die Messgröße, die physikalische Einheit, der Faktor und Offset eingegeben werden. Als Faktor wird 1 gesetzt, im Feld Offset der notierte Spannungswert eingegeben und die Eingabe bestätigt ( Abb. 6).

Abb. 6: Kalibrierung
Anpassung des Programms:

Für die graphische Darstellung (Auftragung von V gegen t), sind die Spannungswerte in Volumenwerte umzurechnen. Der Kolbenprober wird wiederum auf 0 mL eingestellt und der entsprechende Spannungswert (z.B. 0.003 V) notiert. Nun stellt man den Kolbenprober auf 60 mL und registriert ebenfalls den resultierenden Spannungswert (z.B. 0.146 V). Über <F4> 'Automatik / Param. / Formel'®'Formel eingeben' wird das physikalische Symbol, die physikalische Einheit, die Anzahl der Nachkommastellen und eine Formel eingegeben, die die Spannungswerte in Volumenwerte umrechnet (Abb. 7). Mit den angeführten Werten resultiert:

V = (U - 0.003) · 60 / 0.146

Abb. 7: Umrechnung der Spannungswerte in Volumenwerte

64 g (0.33 mol) Kaliumchromat werden mit 16 g (0.054 mol) Kaliumdichromat in einem Liter dest. Wasser gelöst. Man legt pro Experiment 30 mL der orangefarbenen Lösung in den Dreihalskolben vor und temperiert mit Hilfe des Wasserbades. Um Reaktionstemperaturen unterhalb der Raumtemperatur zu erhalten, wird dem Wasserbad Eis hinzugefügt. Nach 15 minütigem Thermostatisieren ist die Lösung auf die Temperatur des Wasserbades gebracht.

Kurz vor dem Start der Messung werden 4 mL 3 %ige Wasserstoffperoxidlösung in den Tropftrichter gefüllt und dieser mit einem Stopfen verschlossen. Der Hahn des Tropftrichters wird geöffnet und unter Rühren die Wasserstoffperoxidlösung in den Dreihalskolben eingelassen. Ist der Vorgang beendet, schließt man den Hahn des Troftrichters und öffnet Hahn der Gasspritze. Unverzüglich wird die Messung gestartet. Die Temperatur der Reaktionslösung wird bis auf 0.1 °C genau abgelesen.

Innerhalb weniger Sekunden setzt starke Gasentwicklung ein und der Stempel des Kolbenprobers beginnt sich zu bewegen. Während der Reaktion verfärbt sich die Lösung tiefrot, was durch die Entstehung von Kaliumperoxochromaten begründet werden kann. Schließlich verschwindet die tiefrote Farbe und die typisch orange Farbe der Kaliumchromatlösung bildet sich zurück.

Um die Bestimmung der Aktivierungsparameter zu ermöglichen, wird die Reaktion bei drei verschiedenen Temperaturen untersucht.

Versuchsauswertung:

Auswertung der bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit CASSY und dem Programm "Messen und Auswerten" erfassten Messdaten in Microsoft Excel - Ermittlung der Geschwindigkeitskonstante k

Nach Fertigung des Diagramms der Auftragung von V gegen t (Abb. 8) erstellt man im Tabellenblatt (Tab. 1) einen Block, der die Auftragung von
ln(0.115 · (1- ( V_t / V _¥))

gegen t und somit entsprechend Gleichung (7) Kinetische Gleichungen (Download PDF-Datei) die Ermittlung der Geschwindigkeitskonstanten ermöglicht (Abb. 9). Mit dem Faktor 0.115 erfährt die Konzentration des Wasserstoffperoxids in der Reaktionslösung ihre Berücksichtigung.

Tabellenblatt

Tab. 1: Excel Datenblatt Messwerte V(t) Konvertierung gemäß y = ln(0.115 · (1 - (V_t / V _¥))

Volumina

Abb. 8: Temperatureffekt 7 °C (1) 14 °C (2) 21 °C (3)

4 mL 30 %iger Wasserstoffperoxidlösung enthalten 3.92 mmol Wasserstoffperoxid. Aus 1 mol Wasserstoffperoxid entstehen 0.5 mol Sauerstoff. Bei einem Druck von 1020 hPa und einer Temperatur von 20 °C (293 K) berechnet sich das Sauerstoffvolumen gemäß der idealen Gasgleichung mit:

Da die Reaktion exotherm verläuft und sich dementsprechend die Reaktionslösung etwas erwärmt, sind die Werte für die gemessenen Endvolumina V_¥ stets höher, als die theoretischen Werte (Tab. 2).

Messung	T [ °C ]	V _¥ [ mL ] berechnet	V _¥ [ mL ] gemessen
1	7	45.0	47.2
2	14	46.1	49.2
3	21	47.3	52.1

Tab. 2: Berechnete und gemessene Sauerstoff-Volumina

Abb. 9: Ermittlung der Geschwindigkeitskonstante k
y = ln(0.115 · (1 - (V_¥ / V_t))

	7 [ ° C]	14 [ ° C]	21 [ ° C]
k [ s^-1 ]	0.007	0.012	0.0205

Tab. 3: Geschwindigkeitskonstanten k

Trägt man die Geschwindigkeitkonstanten und die entsprechenden Reaktionstemperaturen in die Tabelle der Excel-Datei Aktivierungsparameter (Download) ein, so werden alle Aktivierungsparameter (Tab. 2) errechnet und in einem Diagramm die Auftragungen nach ARRHENIUS und EYRING (Abb. 8) realisiert.

Tab. 4: Berechnung der Aktivierungsparameter

Arrhenius und Eyring

Abb. 10: ARRHENIUS- (1) und EYRING-Plot (2)

Hinweise:
W. Jansen, M. Kreutzfeldt, M. Kenn Reaktionskinetische Untersuchungen des durch Chromsäure katalysierten Zerfalls von Wasserstoffperoxid und einfache reaktionskinetische Schulversuche - MNU, Heft 4 (1978)
Computergestützte Experimente Reaktionskinetik: Katalytische Zersetung von Wasserstoffperoxid mit Kaliumdichromat
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Demonstrationsexperiment auf Video Zersetzung von Wasserstoffperoxid mit Katalase
Kyle Smith und Mark Iannone Improved Data Analysis for an Adiabatic Kinetics Experiment

Liste der CASSY-Experimente