誰(shuí)讓過(guò)氧化氫加速分解

文 四川省德陽(yáng)中學(xué) 李沅澤

過(guò)氧化氫是一種新型環(huán)保能源，可用作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑、新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料等，但由于其性質(zhì)不穩(wěn)定，在保存和使用中易受外界因素影響而分解，導(dǎo)致其實(shí)際利用率大大降低。因此，研究影響過(guò)氧化氫分解反應(yīng)速率的因素顯得尤為重要。

過(guò)氧化氫在常溫常壓下會(huì)自行緩慢分解成水和氧氣。中學(xué)化學(xué)教材中一般使用二氧化錳作為催化劑，并且很少考慮到其他影響因素。事實(shí)上，影響過(guò)氧化氫反應(yīng)速率的因素有許多，正是這些因素使過(guò)氧化氫在作火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑、新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)會(huì)造成浪費(fèi)。

一些文獻(xiàn)中曾提到，有些金屬離子能催化過(guò)氧化氫，但并未做詳細(xì)的調(diào)查。我推測(cè)還有更多的物質(zhì)對(duì)過(guò)氧化氫有催化作用。在檢索文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，我通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，分析并總結(jié)出過(guò)氧化氫催化劑的特性，以及其他影響過(guò)氧化氫分解反應(yīng)速率的因素。

一、實(shí)驗(yàn)器材

各種規(guī)格的燒杯、試管，藥匙，玻璃棒，托盤天平，水浴加溫裝置，溫度計(jì)，氣球，秒表。

二、實(shí)驗(yàn)試劑

30%過(guò)氧化氫（H2O2）、硫酸銅（CuSO4）、氯化銅（CuCl2）、硝酸銅[Cu（NO3）2]、氧化銅（CuO）、二氧化錳（MnO2）、高錳酸鉀（KMnO4）、氯化鐵（FeCl3）、硫酸亞鐵（FeSO4）、三氧化二鐵（Fe2O3）、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、三氧化二鉻（Cr2O3）、氧化鈷（CoO）、碘單質(zhì)（I2）、碘化鉀（KI）、氫氧化鈣[Ca（OH）2]、氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈉（NaOH）、稀鹽酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸 （草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）、血液（含有過(guò)氧化氫酶）、土豆絲（含有過(guò)氧化氫酶）等。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1過(guò)氧化氫與不同物質(zhì)反應(yīng)的現(xiàn)象

1.分解過(guò)氧化氫的催化劑種類

用托盤天平稱量5g待測(cè)物質(zhì)粉末，分別為硫酸銅（CuSO4）、氯化銅（CuCl2）、硝酸銅[Cu（NO3）2]、氧化銅（CuO）、二氧化錳（MnO2）、高錳酸鉀（KMnO4）、氯化鐵（FeCl3）、硫酸亞鐵（FeSO4）、三氧化二鐵 （Fe2O3）、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、三氧化二鉻 （Cr2O3）、氧化鈷（CoO）、碘單質(zhì)（I2）、碘化鉀（KI）、血液、土豆絲等。

把5ml30%過(guò)氧化氫溶液倒入試管，在保證溫度、氣壓等實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，將過(guò)氧化氫和待測(cè)物質(zhì)粉末混合，觀察現(xiàn)象。如明顯有氣泡產(chǎn)生，則此物質(zhì)可作為過(guò)氧化氫的催化劑。

2.影響過(guò)氧化氫分解速率的因素

（1）混合均勻程度

用托盤天平稱量?jī)煞?g催化劑粉末（硫酸銅），把5ml30%過(guò)氧化氫溶液倒入2支不同的試管，在保證其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，同時(shí)將兩組催化劑粉末與過(guò)氧化氫混合，其中一組使用玻璃棒攪拌。觀察記錄兩組催化反應(yīng)速率。

（2）溫度

分別把5ml30%過(guò)氧化氫溶液倒入4支套上了氣球的具支試管，放在水浴裝置上，在保證其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，按10℃為公差設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)組。通過(guò)氣球膨脹程度，觀察記錄各組的反應(yīng)速率。

（3）催化劑濃度

用托盤天平稱量?jī)煞?g和5g催化劑粉末（高錳酸鉀）并配成相同體積的溶液，把5ml30%過(guò)氧化氫溶液倒入2支試管，在保證其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，同時(shí)將兩組催化劑溶液與過(guò)氧化氫混合，觀察記錄各組的反應(yīng)速率。

（4）酸堿度

用氫氧化鈣[Ca（OH）2]、氫氧化鉀（KOH）、氫氧化鈉（NaOH）、稀鹽酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸 （草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）分別配置8杯5ml不同酸堿度的溶液，把5ml30%過(guò)氧化氫溶液倒入7支不同的試管。在保證其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，按次序分別混合。再向第八個(gè)實(shí)驗(yàn)組同時(shí)加入堿和硫酸銅觀察。記錄不同實(shí)驗(yàn)組的反應(yīng)速率。

圖2 過(guò)氧化氫在堿性環(huán)境下的反應(yīng)現(xiàn)象

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.硫酸銅（CuSO4）、氯化銅（CuCl2）、硝酸銅[Cu（NO3）2]、氧化銅（CuO）、二氧化錳（MnO2）、高錳酸鉀（KMnO4）、氯化鐵（FeCl3）、硫酸亞鐵（FeSO4）、三氧化二鐵 （Fe2O3）、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、三氧化二鉻 （Cr2O3）、氧化鈷（CoO）、碘單質(zhì)（I2）、碘化鉀（KI）、血液、土豆絲都能作為過(guò)氧化氫的催化劑。碘化鉀（KI）在反應(yīng)后生成了少量碘單質(zhì)。

通過(guò)查詢相關(guān)知識(shí)，我發(fā)現(xiàn)金屬鈀的一些化合物也能催化過(guò)氧化氫。

2.使用玻璃棒攪拌的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)速率更快。

3.水浴溫度較高的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)速率更快，并且溫度每升高10℃，反應(yīng)速率可提高2至4倍。

4.催化劑濃度較高的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)速率更快。

5.溶液呈堿性的實(shí)驗(yàn)組總體反應(yīng)快于溶液呈酸性的實(shí)驗(yàn)組。與其他實(shí)驗(yàn)組相比，既加入催化劑又加入堿的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)速率明顯快于前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，甚至?xí)丁?/p>

五、分析與結(jié)論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈀、鈷、銅、錳、鐵、鉻等變價(jià)過(guò)渡金屬的化合物都對(duì)過(guò)氧化氫有催化作用，并且都是變價(jià)金屬離子，因此我推測(cè)：變價(jià)金屬離子對(duì)過(guò)氧化氫有催化作用，且催化效果在一定程度上隨價(jià)態(tài)升高而升高。不過(guò)具體結(jié)論還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和討論。

溫度、酸堿度、濃度、反應(yīng)物接觸面積等因素都會(huì)影響過(guò)氧化氫催化反應(yīng)的速率。在保證實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，增大反應(yīng)濃度可以加快反應(yīng)速率，溫度升高能加快反應(yīng)，混合均勻程度越高，反應(yīng)物接觸面積越大，催化速率越快。堿性環(huán)境下過(guò)氧化氫分解速率會(huì)加快，此時(shí)加入催化劑會(huì)出現(xiàn)疊加效應(yīng)。

由此觀之，在設(shè)計(jì)制造以過(guò)氧化氫為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)避免使用變價(jià)過(guò)渡金屬材料，還應(yīng)充分考慮光照、溫度、酸堿度、濃度、接觸面積等因素，避免在使用時(shí)造成浪費(fèi)。

過(guò)氧化氫酶是過(guò)氧化氫良好的催化劑。在使用以過(guò)氧化氫為燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)保持環(huán)境干凈，避免含有過(guò)氧化氫酶的物質(zhì)侵入，造成過(guò)氧化氫的浪費(fèi)。

碘單質(zhì)或碘化鉀等一些非金屬物質(zhì)也對(duì)過(guò)氧化氫有催化作用，因此在生產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑、新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)應(yīng)避免接觸碘單質(zhì)、碘化鉀等。