H₂O₂催化分解反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)探究

楊茵

摘要： 通過對H2O2催化分解速率進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)探究，解釋了氯化鐵催化分解H2O2的異?，F(xiàn)象及其教學(xué)意義。對H2O2分解溫度及尋找合適催化劑催化分解不同濃度的H2O2作了實(shí)驗(yàn)探索，得出雙氧水受熱分解速率與溫度的定量關(guān)系。通過對照實(shí)驗(yàn)，提出改用活性炭作催化劑等適合課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議。

關(guān)鍵詞： 過氧化氫; 分解速率; 催化; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2019）1007003 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

現(xiàn)行各版本的新高中教材《化學(xué)2》（必修）在探究化學(xué)反應(yīng)速率課題時(shí)，都不約而同地使用H2O2分解的實(shí)驗(yàn)，可能原因是過氧化氫容易分解，現(xiàn)象明顯，具體詳見表1。江蘇省蘇州市采用的是蘇教版，其中《化學(xué)2》（必修）第30頁“活動與探究”欄目中的具體內(nèi)容為：“[實(shí)驗(yàn)1]取兩支大試管，各加入5mL 12%的過氧化氫溶液（即雙氧水），將其中一支試管用水浴加熱，觀察并比較兩支試管中發(fā)生的變化。[實(shí)驗(yàn)2]取兩支大試管，各加入5mL 4%的過氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管中加入少量二氧化錳粉末，觀察發(fā)生的變化。[實(shí)驗(yàn)3]取兩支試管，分別加入5mL 4%、 5mL 12%的過氧化氫溶液，再各加入幾滴0.2mol·L-1氯化鐵溶液，觀察氣泡生成的快慢。”對于上述實(shí)驗(yàn)步驟，筆者在進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，如水浴加熱的溫度不明確、FeCl3催化H2O2分解過程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象、催化劑選擇及催化劑用量不詳?shù)取９P者課后進(jìn)行了一系列探究實(shí)驗(yàn)，獲取了演示實(shí)驗(yàn)所需的適宜條件，現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果闡述如下，與諸位同仁分享。

2 背景資料查閱

發(fā)現(xiàn)問題后，查閱了相關(guān)的資料，了解到H2O2是一種不太穩(wěn)定的試劑，因?yàn)镠2O2分子中存在過氧鍵，且是低對稱性的，容易發(fā)生分解反應(yīng)2H2O2

2H2O+O2↑，反應(yīng)焓變ΔrHm（298.15K）=-198kJ/mol，摩爾吉布斯焓變ΔrGm（298.15K）=-160.77kJ/mol，分解壓為106.7kPa[1]，由此可見理論上推知純的H2O2在常溫常壓就可自行分解，但是H2O2分解活化能約為220kJ/mol，所以低溫避光、無催化劑條件下的分解率不大，研究者在30℃時(shí)測得純H2O2一年的分解率僅為1%。在熱、光、過渡金屬及它們的氧化物、過渡金屬鹽、酰胺類物質(zhì)、過氧化氫酶等因素影響下，H2O2又會變得極不穩(wěn)定，很容易分解。

在Fe3+催化作用下，H2O2分解機(jī)理起源于過渡配合離子FeⅢ（HO2）2+和FeⅢ（OH）（HO2）+的分解，這些配合物的生成速率非?？?，在Fe3+與H2O2混合數(shù)秒內(nèi)即已達(dá)到平衡。FeⅢ（HO2）2+顯藍(lán)色，F(xiàn)eⅢ（OH）（HO2）+顯紅色，再結(jié)合溶液中還可能存在的有色微粒，如[Fe（H2O）6]3+、FeOH2+， FeO2H+2等，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們能觀察到溶液加深為棕黃色應(yīng)該是多種有色離子共同作用下形成的一種復(fù)合色，而并非存在單一顯棕色或棕黃色的中間過渡產(chǎn)物[2]。

由于過渡金屬原子存在空的d軌道，在電子轉(zhuǎn)移過程中會引起金屬離子價(jià)態(tài)變化，從而加速H2O2的分解。因此，很多含過渡金屬離子物質(zhì)對H2O2都具有催化活性。因此，有的教師用銅鹽代替氯化鐵做催化劑，也取得比較好的實(shí)驗(yàn)效果。

在化工上，常采用潔凈鉑網(wǎng)在低溫條件下平穩(wěn)催化分解過氧化氫，過氧化氫的分解率可達(dá)到99%以上。有的化工企業(yè)用活性炭來催化分解過氧化氫，不僅催化速度快而且催化效果非常好[3]。

3 實(shí)驗(yàn)過程

雖然純凈的過氧化氫比較穩(wěn)定，但在加熱、光照或少量雜質(zhì)的作用下，它的不穩(wěn)定性就會表露無遺，很容易分解。為此，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室在使用特定濃度的過氧化氫溶液時(shí)都是現(xiàn)用現(xiàn)配。市售的過氧化氫溶液濃度為30%，筆者取40mL 30%的過氧化氫溶液，加60mL蒸餾水，配成100mL濃度約為12%的過氧化氫溶液;取15mL上述配得的12%的過氧化氫溶液，加15mL蒸餾水，配成30mL 6%的過氧化氫溶液待用;再取10mL 12%的過氧化氫溶液，加20mL蒸餾水，配成30mL 4%的過氧化氫溶液待用。

3.1 過氧化氫受熱分解的溫度

上述蘇教版教材中實(shí)驗(yàn)1只是描述把過氧化氫溶液水浴加熱，并沒有具體指明水浴加熱的溫度，所以，筆者做了如下實(shí)驗(yàn)探求過氧化氫受熱分解的溫度。

[實(shí)驗(yàn)1]（1） 取兩支大試管，各加入5mL 12%的過氧化氫溶液（即雙氧水），沒有明顯現(xiàn)象，將其中一支試管置于盛80mL冷水的燒杯中，燒杯下方由酒精燈加熱，初時(shí)室溫、水溫均為20℃。

實(shí)驗(yàn)記錄見表2。

（2） 把另一支試管直接用酒精燈加熱，加熱片刻后過氧化氫溶液中立刻有大量氣泡產(chǎn)生，撤去酒精燈，氣泡仍繼續(xù)大量冒出。

3.2 過氧化氫催化劑的選擇

蘇教版的實(shí)驗(yàn)3利用氯化鐵催化不同濃度的過氧化氫溶液分解說明濃度對反應(yīng)速率的影響。做過該實(shí)驗(yàn)的教師都清楚，用氯化鐵催化分解過氧化氫時(shí)會出現(xiàn)“異常”現(xiàn)象，向無色的H2O2溶液中滴加幾滴黃色的FeCl3溶液，有氣泡產(chǎn)生的同時(shí)溶液立即變?yōu)樽攸S色甚至棕褐色，這說明催化劑氯化鐵參與了化學(xué)反應(yīng)，有中間產(chǎn)物鐵的棕褐色化合物生成，但反應(yīng)最終棕褐色會完全退盡，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明催化劑雖可參加反應(yīng)，但本身不進(jìn)入產(chǎn)物中，能很好地說明催化劑的一些特性，教材這樣的安排是有深意的。

當(dāng)然，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的催化劑可以有多種，不同的催化劑催化效果也會不同。選擇一些獲取方便、價(jià)廉、安全且現(xiàn)象有趣的催化劑，讓學(xué)生參與活動和探究，也會收到特有的教學(xué)效果。根據(jù)文獻(xiàn)資料，選擇了實(shí)驗(yàn)室常見的或容易買到且價(jià)格便宜的藥品，如硫酸銅溶液和活性炭做催化劑，與氯化鐵一起進(jìn)行催化劑的對照、比較的實(shí)驗(yàn)探究。

[實(shí)驗(yàn)2]（1） 稱量分析純固體試劑FeCl3·6H2O、分析純固體CuCl2·2H2O，分別溶解在50mL蒸餾水中，各自配成50mL濃度約為0.2mol·L-1的FeCl3溶液和0.2mol·L-1的CuSO4溶液。

（2） 稱取0.2g活性炭（購自淘寶），共有9顆差不多大小的活性炭顆粒。每顆活性炭約為0.02g。

（3） 取兩試管A和B，向其中A試管中加入5mL 4%的過氧化氫溶液，B試管中加入5mL 12%的過氧化氫溶液。分別向兩試管中滴加5滴0.2mol·L-1的FeCl3溶液，振蕩并靜置。

（4） 取兩試管C和D，向其中C試管中加入5mL 4%的過氧化氫溶液，D試管中加入5mL 12%的過氧化氫溶液。分別向兩試管中滴加5滴0.2mol·L-1的CuSO4溶液，振蕩并靜置。

（5） 取兩試管E和F，向其中E試管中加入5mL 4%的過氧化氫溶液，F(xiàn)試管中加入5mL 12%的過氧化氫溶液。分別向兩試管中加入1顆研磨過的活性炭，振蕩并靜置，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及對比效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

4 思考及建議

作為演示實(shí)驗(yàn)，不僅要實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、現(xiàn)象明顯，也要方便和經(jīng)濟(jì)，這樣才有利于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的展開。對于前面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)作如下思考。

4.1 水浴的合適溫度

市售過氧化氫溶液中一般都加有一定量的硫酸作穩(wěn)定劑，過氧化氫的分解活化能較高，必須要超過其活化能時(shí)才能分解，因此溫度提高到一定程度后才會加速分解，溫度越高則分解越快。實(shí)驗(yàn)表明12%的過氧化氫分解產(chǎn)生明顯氣泡需要達(dá)到74℃左右，若從冷水浴加熱大約需要15分鐘的時(shí)間。等待時(shí)間太長就不適合在課上用于演示實(shí)驗(yàn)。建議可以直接在熱水中兌冷水達(dá)到74℃左右，這樣可以大大縮短演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，有利于演示實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

用酒精燈直接加熱5mL 12%的過氧化氫溶液，片刻后就有大量氣泡產(chǎn)生，停止加熱后，氣泡仍大量生成，由此可以排除只是水沸騰產(chǎn)生了氣泡，說明過氧化氫分解生成了氧氣。所以，本實(shí)驗(yàn)也可以不用水浴加熱，改用稍微加熱5mL 12%的過氧化氫溶液至有大量氣泡產(chǎn)生，停止加熱，氣泡仍舊大量冒出來說明加熱促進(jìn)過氧化氫的分解。

4.2 能否選擇活性炭做催化劑

在催化劑的選擇上，F(xiàn)eCl3雖然對H2O2的分解有好的催化活性，但實(shí)驗(yàn)中存在“異?！爆F(xiàn)象，學(xué)生又難以理解“異?！爆F(xiàn)象產(chǎn)生的原因。而銅鹽做催化劑時(shí)催化效果不如FeCl3，對比不明顯?；钚蕴繉2O2分解的催化活性非常好，反應(yīng)迅速，對比明顯，而且價(jià)格也便宜。所以，活性炭不失為一個(gè)好的催化劑，可以用于演示實(shí)驗(yàn)中。

綜上所述，提出如下建議： （1）在演示過氧化氫受熱分解實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生明顯現(xiàn)象需要達(dá)到74℃左右，建議將試管直接加熱到產(chǎn)生大量氣泡后停止加熱，這樣大大縮短了演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。（2）在演示不同濃度的過氧化氫溶液分解實(shí)驗(yàn)來說明濃度對反應(yīng)速率的影響時(shí)，可改用少量活性炭作為催化劑，反應(yīng)速率快且對比差異明顯，有利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春， 孫文利， 劉洋， 趙曉冉. 利用手持技術(shù)探究催化劑對過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響[J]. 教育與裝備研究， 2016， （12）： 56.

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