催化劑對分解過氧化氫制氧氣影響因素的探究

廣東省恩平市君堂鎮(zhèn)江洲圩江洲中學(xué) 劉曉光

一、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

①通過實(shí)驗(yàn)，找出分解過氧化氫的最佳催化劑。

②熟練掌握制取和收集氧氣的方法及規(guī)范操作。

③實(shí)習(xí)氧氣制取演示實(shí)驗(yàn)的方法。

④初步探索制取氧氣實(shí)驗(yàn)的影響因素。

2.實(shí)驗(yàn)原理：

3.實(shí)驗(yàn)器材及藥品

試管、單孔膠塞的導(dǎo)管、秒表、電子天平、藥匙、量筒、鐵架臺等

實(shí)驗(yàn)藥品：5%的過氧化氫溶液、二氧化錳、氧化銅、氧化鐵、豬肝等。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

①按實(shí)驗(yàn)裝置圖所示安裝好儀器；

②檢查裝置氣密性，往量筒中注滿水；

③取3%過氧化氫溶液20ml，分成5等份，每份4ml，分別裝人已經(jīng)準(zhǔn)備好的5支試管當(dāng)中.在5支試管當(dāng)中分別加人等量的二氧化錳、氧化銅、紅磚粉、氧化鐵、豬肝。

④分別加熱這5支試管，從導(dǎo)管口出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄當(dāng)過氧化氫反應(yīng)完量筒中的水的體積及所用的時(shí)間；（保證反應(yīng)的除催化劑的量外其他條件一致）

⑥分析結(jié)果。

5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

數(shù)據(jù)記錄：

二氧化錳氧化銅 氧化鐵 紅磚粉 豬肝反應(yīng)程度很快 較慢 很慢 很慢 較快反應(yīng)時(shí)間10min 60min 80min 85min 25min

可見，對H2O2催化分解最快的是MnO2.

為進(jìn)一步研究MnO2的催化情況，我做了如下實(shí)驗(yàn)：

①M(fèi)nO2催化的制作。

a．取0.2g MnO2粉末。

b．把5gKMnO4分布于試管內(nèi)壁加熱一段時(shí)間后把渣倒出，試管內(nèi)壁上留下一層穩(wěn)固的棕黑色物質(zhì)（MnO2），或直接取用KMnO4制取氧氣實(shí)驗(yàn)留下的試管，用水洗去浮渣后可用。

c．取附有MnO2的灼燒瓷片。

d．用一片有機(jī)塑料袋灼燒，然后粘附二氧化錳粉末，讓其形成塊狀。

②把這4種MnO2催化劑連載體分別放入5m15%H2O2溶液中，情況如下：

催化劑（載體）MnO2粉末 MnO2 （試管）MnO2 （瓷片）MnO2 （塑料袋）反應(yīng)情況 劇烈，使火星復(fù)燃劇烈，使火星復(fù)燃劇烈，使火星復(fù)燃平穩(wěn)，是火星復(fù)燃反應(yīng)完所需時(shí)間（min）3．5 12 18 5

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明MnO2對過氧化氫的分解有極好的催化作用，但催化劑的制作途徑不同，其催化的效率也不同，這主要是接觸面大小不同所造成的。對MnO2來說以粉末狀態(tài)的催化效率最高。但是由于接觸面積太大，導(dǎo)致反應(yīng)速率太劇烈，反而塑料袋粘附的二氧化錳粉末，反應(yīng)的更平穩(wěn)。

催化劑的用量對反應(yīng)有否影響呢？為了探索這個(gè)問題，我做了這樣一組實(shí)驗(yàn)：每次均用10mL30%H2O2溶液配制成10%溶液32mL，采用不同量的MnO2粉末作催化劑，測定各次收集500ml氧氣的時(shí)間，結(jié)果如下：

MnO20．1 0．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9 1.0粉末用量（g）產(chǎn)生17 8 7 5 3 3 2 2 2 2 500 mL氧氣時(shí)間（s）

結(jié)果表明：同一種催化劑的不同用量在一定范圍內(nèi)對反應(yīng)速度是有影響的。

二、溶液濃度、操作情況的影響

為探討不同濃度H2O2溶液在相同條件下催化分解的時(shí)間及反應(yīng)情況，本人做了如下實(shí)驗(yàn)，每次均用5．0mL30%H2O2溶液（配制成不同濃度溶液）及0.2g MnO2粉末，在室溫（20℃）下測定在試管中的反應(yīng)時(shí)間，以導(dǎo)管在水中自冒泡至不再冒泡的時(shí)間為準(zhǔn)，測定結(jié)果如下表：

溶液濃度%溶液體積/ml所用試管規(guī)格/mm操作情況反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)情況收得氣體體積/ml反應(yīng)完液體溫度/℃裝置不1 0 m i n反應(yīng)較動5s慢，后期極慢1 164．5 32×200振蕩 1 0 m i n反應(yīng)較539 24 5s慢，后期極慢裝置不3 m i n反應(yīng)較動40s慢，后期很慢振蕩 2 m i n反應(yīng)前3 54．4 25×20030s期 較543 34快，后期較慢裝置不3 m i n反應(yīng)較動25s慢，后期很慢5 32．5 20×200振蕩 1 m i n反應(yīng)較548 39 14s快，后期很快裝置不1 m i n反應(yīng)較動20s快，后期很快10 16．0 20×200振蕩 17s 反應(yīng)很553 56快，收集的氣體有白霧裝置不25s 反應(yīng)很動快，收集的氣15 10．5 20×200體有白560 65霧振蕩 7s 反應(yīng)很快，收集的氣體有大量白霧裝置不9s 反應(yīng)很動快，收集的氣20 7．8 20×200體有大562 67量白霧振蕩 6s 反應(yīng)劇烈，收集的氣體有大量白霧反應(yīng)劇25 6．1 20×200 裝置不4s烈，收563 70動集的氣體有大量白霧

把結(jié)果做成圖象?？梢娫谙嗤瑮l件下，溶液的濃度和操作情況對反應(yīng)速度影響較大。后者則是在反應(yīng)過程中振動反應(yīng)器，由于振動時(shí)促使固液體充分混合，增大了接觸面，從而使反應(yīng)速度大大提高。如果收集氣體l—2L并以1—2min為適度（在這樣的時(shí)間段內(nèi)人們可從容地操作），則從圖象分析可知，當(dāng)裝置不動時(shí)可選取8．4%—11．4%的溶液，當(dāng)裝置可振動時(shí)可選取3．2%—5．8%的溶液。這并非絕對不變的，若出于一些反應(yīng)的需要可視實(shí)際情況選用相應(yīng)濃度的溶液，通常選用5%—10%溶液即可，在實(shí)際過程中用是否需要振蕩及振蕩次數(shù)、幅度大小來調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，使之符合人們的需要，這樣做既簡便又見效。

綜上所述，常溫常壓下對H2O2催化分解的影響主要有三大因素：催化劑（包括種類、狀態(tài)、用量三方面）溶液濃度和溶液與催化劑的接觸面。因此在制取氧氣過程中可以通過調(diào)節(jié)這些因素來控制反應(yīng)速度。