DIS探究催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響

沈燕萍

（江蘇省常州高級中學 江蘇 常州 213003）

一、探究意圖

蘇教版教材《實驗化學》專題4 的課題2 中設(shè)計了催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響實驗，這是采用傳統(tǒng)中學化學實驗手段對此實驗進行的定量研究。通常判斷過氧化氫分解速率的大小，可以通過觀察比較過氧化氫溶液中析出氣泡的快慢程度，或測定單位時間內(nèi)過氧化氫分解放出氧氣的體積。但催化劑對過氧化氫分解反應過程究竟是如何影響的？ 該分解反應是什么規(guī)律？ 反應速率曲線又是怎樣的數(shù)學關(guān)系？ 這些都是傳統(tǒng)中學化學實驗手段難以回答的?；趯@些問題的思考，我進行了本文的探究。

二、探究思路

為了準確、實時、快速和自動采集過氧化氫分解放出氧氣的氣壓變化曲線，本實驗選用了先進的DIS實驗系統(tǒng)來完成。DIS（Digital Information System）即數(shù)字化信息系統(tǒng)，是將現(xiàn)代實驗技術(shù)和以計算機為核心的信息技術(shù)融為一體的新型實驗系統(tǒng)，由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實驗軟件包＋計算機”構(gòu)成。DIS 實驗系統(tǒng)最根本的特點是將實驗過程或現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可檢測的物理信號，進而利用物理信號反映或研究實驗本質(zhì)，這也是科學研究中非常重要的“轉(zhuǎn)化”思想。傳統(tǒng)的實驗手段存在著誤差大、數(shù)據(jù)采集慢（無法在很快的時間內(nèi)采集很多組數(shù)據(jù)）、有的物理量無法直接測量、讀數(shù)不方便等問題，更為重要的是數(shù)據(jù)處理手工完成，效率低，誤差大。計算機和傳感器的介入可以更快更準確地獲得可連續(xù)的監(jiān)測和采集實驗數(shù)據(jù)，對于化學反應中許多“瞬時”的過程，我們也能將實驗數(shù)據(jù)記錄下來仔細分析了，測出來的數(shù)據(jù)以表格、圖像、儀表等多種方式實時顯示、分析、處理，更客觀、真實地展現(xiàn)實驗過程，更容易、更深刻地揭示客觀世界隱藏的各種規(guī)律。因此利用DIS 實驗系統(tǒng)可以探究問題的廣度和深度都大大拓展，這對提高學生的探究能力很有益處。不僅能使學生加深理解和鞏固學科知識，更重要的意義在于可以培養(yǎng)學生形成科學的思維方式，掌握科學的研究方法。

選用MnO2作催化劑，通過DIS 實驗系統(tǒng)的壓強傳感器對過氧化氫分解放出氧氣的氣壓進行實時測量，利用氣壓變化快慢與氧氣放出速率大小成正相的關(guān)系，繪制在無催化劑和有催化劑兩種情況下的“pt”曲線，外顯出催化劑對過氧化氫分解反應的影響過程，揭示出該分解反應速率曲線的數(shù)學規(guī)律和反應的變化規(guī)律。

三、探究用品

壓強傳感器：用于測量氣體壓強，其讀數(shù)為絕對壓強值。使用時應保證被測氣體與壓強傳感器前端的軟管連接緊密。量程為0kPa～300kPa，分度0．1kPa。請注意勿將該傳感器直接用于測量液體壓強，不能超量程使用。

四、探究方案

1．組裝實驗裝置，用數(shù)據(jù)線連接計算機、數(shù)據(jù)采集器、壓強傳感器，如圖1 所示。

圖1 實驗裝置圖

2．打開DISLab V6．0實驗軟件系統(tǒng)，點擊 “通用軟件”，系統(tǒng)自動識別所接入的傳感器，并顯示當前壓強值。觀察壓強示數(shù)是否穩(wěn)定，如果示數(shù)有所下降，則說明裝置漏氣。

3．先用6%H2O2溶液作空白實驗，監(jiān)測體系中氧氣生成速率。用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入單孔橡膠塞，在具支試管上塞緊橡膠塞。

4．打開實驗軟件系統(tǒng)的“組合圖線”功能，點擊“采集控制”中“停止”按鈕。點擊“圖線選擇”中“添加”按鈕，設(shè)定x 軸、y 軸分別為“時間”、“p”，點擊“確定”，即添加“p－t”曲線。

5．點擊“開始”，迅速注入3mL6%H2O2溶液并抵按住注射器活塞。觀察60s 內(nèi)實驗過程中氣壓隨時間的變化曲線，后點擊“停止”。

6．點擊界面下方“選擇區(qū)域”圖標，分別選擇圖線上反應開始時的起點和終點。根據(jù)實驗所獲得的曲線形狀，對曲線的分布規(guī)律作出初步的判斷。點擊“圖線分析”的“擬合”按鈕，選擇相應的擬合工具加以驗證，即得到基于該工具的擬合曲線及其圖線方程。觀察擬合曲線與“p－t”曲線的吻合程度，可為推斷該“p－t”曲線符合何種數(shù)學規(guī)律提供有力的佐證。

7．加入0．2gMnO2于洗凈的具支試管中，用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入單孔橡膠塞，在具支試管上塞緊橡膠塞。重復以上4－6 步操作，得到“p－t”曲線，找出此曲線的數(shù)學規(guī)律。

五、數(shù)據(jù)分析與討論

1．室溫下不加催化劑：如圖2 是做空白實驗時繪制的“p－t”曲線，點擊“開始”時壓強為101．1kPa，迅速注入3mL6%H2O2溶液后體系的壓強迅速升到110．2kPa，此后60s 內(nèi)壓強變化不明顯，說明H2O2溶液在不加催化劑的情況下分解很慢。根據(jù)此“p－t”曲線的分布規(guī)律選擇“線形擬合”工具，得到如圖3 所示的擬合圖線，圖線方程為y＝0．0075x＋108．9855，擬合曲線與“p－t”曲線完全吻合，可推斷此“p－t”曲線符合線性關(guān)系。斜率為0．0075 而不是0，說明體系的壓強還是在緩慢增加的，從試管壁上附著一些小氣泡也驗證了這一點，這可能由于試管壁的粗糙表面或有雜質(zhì)促使H2O2溶液在緩慢分解，也說明該DIS 實驗系統(tǒng)的壓強傳感器的靈敏度非常高。

圖2

圖3

2．室溫下加催化劑：如圖4 是加入0．2g MnO2（粉末） 時繪制的 “p－t” 曲線，點擊 “開始” 時壓強為101．1kPa，迅速注入3mL6%H2O2溶液后體系的壓強迅速升到110．1kPa，此后壓強開始快速增加，反應約40s后壓強增加緩慢，60s時壓強上升到209．1 kpa。這說明H2O2溶液在催化劑的存在下迅速分解，當反應進行到40s 后反應速率逐漸減緩。同時可觀察到試管內(nèi)H2O2溶液產(chǎn)生大量氣泡，觸摸試管壁有熱量放出。根據(jù)此“p－t”曲線的分布規(guī)律選擇 “對數(shù)擬合”工具，得到如圖5 所示的擬合圖線，圖線方程為y＝25．8809lnx＋107．1113，擬合圖線與“p－t”曲線基本吻合，可推斷此“p－t”曲線基本符合對數(shù)函數(shù)規(guī)律，從而外顯出催化劑對過氧化氫分解反應的影響過程，揭示出該分解反應的變化規(guī)律。

圖4

圖5

六、實驗優(yōu)點

1．創(chuàng)新性

采用先進的DIS 實驗技術(shù)來進行該探究實驗，這充分體現(xiàn)了新課程背景下的實驗面向現(xiàn)代化的特點，對于幫助學生了解現(xiàn)代實驗技術(shù)能夠起到積極的作用。創(chuàng)新性的體現(xiàn)不僅僅在于采用了先進的DIS 實驗系統(tǒng)，而是設(shè)計了全新的探究思路、探究裝置和探究方案，在信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的整合方面有所創(chuàng)新。

2．過程性

利用DIS 實驗軟件包的相關(guān)數(shù)學工具進行數(shù)據(jù)分析，充分利用各種科學探究中的統(tǒng)計方法，讓我們能透過反應現(xiàn)象看清反應本質(zhì)，能動態(tài)顯示出實驗過程的細節(jié)，使我們從原來關(guān)注實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成關(guān)注實驗過程與原理，使我們得出的結(jié)論更加科學，使我們對問題的解釋更加客觀、真實、有效。

3．探究性

既可以觀察到實驗現(xiàn)象，又可以清晰地看到過氧化氫迅速分解反應速率曲線的繪制過程，還可以用手觸感到過氧化氫迅速分解所產(chǎn)生的熱量。從而體驗科學研究的過程，強化科學探究意識，利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，充分體現(xiàn)新的化學課程理念。

4．靈活性

除MnO2外，還可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化劑。該實驗方案和實驗裝置基本不變，只需將MnO2換成其他的催化劑，即可探究不同催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響，使得探究的問題范圍和深度都大大拓展。

5．實用性

該實驗裝置簡單、材料易得、操作簡便、效果明顯，易于推廣。傳統(tǒng)實驗中測定單位時間內(nèi)過氧化氫分解放出氧氣的體積時，極短的時間內(nèi)很容易造成體積誤讀，而DIS 實驗系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)顯示來得直接和準確，能很好地適應演示實驗的要求。

6．安全性

壓強傳感器的使用要求是在密閉系統(tǒng)中測定，但密閉系統(tǒng)中產(chǎn)生壓強過大容易引起爆炸等危險，所以實驗裝置設(shè)計中采用的注射器既是加入反應物的容器，又是整個體系的減壓裝置。一旦體系的壓強過大，超過壓強傳感器量程，即可松開注射器活塞，達到減壓目的，確保實驗安全。

七、注意事項

1．雙氧水有強腐蝕性，強氧化性，與皮膚接觸會有強烈的燒灼感，使局部皮膚和毛發(fā)發(fā)白，產(chǎn)生刺痛、瘙癢。在使用過程中應注意避免與眼睛、皮膚接觸，以防灼傷。

2．裝置使用前要檢查氣密性，以防實驗過程中漏氣，導致數(shù)據(jù)不準確。

3．實驗要采用同一個實驗裝置，以保證實驗的公平和可比性。

4．MnO2的用量以及顆粒直徑大小均會影響H2O2分解的速率。

5．選用6%的H2O2溶液是因為DIS 壓強傳感器很敏感，如果濃度大雖然反應劇烈，一方面數(shù)據(jù)波動也會較大，不利于精確測定；另一方面在密閉系統(tǒng)測定時，壓強過大容易引起爆炸等危險。

6．清洗具支試管或向其中加入藥品時，應注意不要將水或藥品流入具支試管的支口，以免沾污壓強傳感器軟管。

［1］ 上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心，山東省遠大網(wǎng)絡多媒體有限責任公司．朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室V6．0：化學、生命科學用戶手冊．2007