過氧化氫催化分解制備氧氣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究

王麗麗 吳暾艷 張艷華 譚宗俊

摘要： 在梳理二氧化錳催化過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)中粉末狀二氧化錳轉(zhuǎn)化成顆粒狀的研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)二氧化錳顆?；M(jìn)行了系列研究和設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好，便于一線教師操作和使用。對(duì)初中教材三種制備氧氣方法進(jìn)行了綜合比較，認(rèn)為過氧化氫催化分解法最優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 二氧化錳; 過氧化氫; 催化分解; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) ? ? ?文章編號(hào)： 10056629（2019）6007303??????中圖分類號(hào)： G6338??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1?該實(shí)驗(yàn)的不足和改進(jìn)方法的文獻(xiàn)綜述

用二氧化錳催化過氧化氫分解生成氧氣這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為現(xiàn)行初中化學(xué)教材中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，盡管不同版本的初中教材對(duì)該實(shí)驗(yàn)的敘述和要求有所不同，但是教材中使用的二氧化錳都為粉末狀是相同的。粉末狀的二氧化錳與過氧化氫接觸面積較大，反應(yīng)速率較快，但是粉末狀的二氧化錳存在以下問題： 過氧化氫與粉末狀二氧化錳形成黑色的懸濁液在反應(yīng)中不停翻滾，影響了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察;由于反應(yīng)速率較快，收集氧氣時(shí)教師一個(gè)人操作有點(diǎn)困難，時(shí)常手忙腳亂、顧此失彼;另外，二氧化錳粉末顆粒非常小，不方便回收，所以大多數(shù)教師放棄回收而造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

為了解決上述問題，很多研究者均考慮將粉末狀的二氧化錳加工成塊狀（或顆粒狀，或用膠水粘附，或用濾紙包裹等），達(dá)到使二氧化錳方便回收并可以重復(fù)使用之目的[1～9]。

基于上述已有研究成果，我們也試圖尋找能夠使二氧化錳粉末形成塊狀或顆粒狀的簡(jiǎn)便易行的方法。

2?粉末狀二氧化錳形成塊狀、顆粒狀途徑

用堵漏劑和乳白膠調(diào)和使二氧化錳粉末塊狀化

生活中下水道漏水時(shí)需要用堵漏劑修補(bǔ)時(shí)，在漏水處敷上調(diào)和好的堵漏劑會(huì)很快固化防止漏水，受此啟示，用堵漏劑使二氧化錳粉末塊狀化。

實(shí)驗(yàn)藥品： 二氧化錳粉末、堵漏劑、乳白膠

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 用二氧化錳粉末和堵漏劑分別按照1∶1、 1∶2的質(zhì)量比，加入適量水和乳白膠調(diào)和，乳白膠的主要成分是聚乙烯醇，無(wú)毒，可以和水以任意比例互溶。

（2） 將調(diào)和好的糊狀混合物裝入方形塑料袋中，壓成約05cm厚的片狀。

（3） 用切口整齊光滑的刀將步驟（2）中的物質(zhì)切壓成1cm左右的方格。（注意不要切破塑料袋，糊狀混合物硬化的時(shí)間有10分鐘左右，完全可以有時(shí)間從容做完這一步）

（4） 待兩、三天完全硬化后，扳開即成為規(guī)則的小方塊。

用熔化的石蠟使二氧化錳粉末顆?；?/p>

蠟燭點(diǎn)燃時(shí)，固態(tài)蠟會(huì)受熱液化，冷卻又會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，用此性質(zhì)使二氧化錳粉末顆粒化。

實(shí)驗(yàn)藥品： 二氧化錳粉末、蠟燭

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 點(diǎn)燃蠟燭，使熔化后的蠟滴入二氧化錳粉末中并不斷攪拌，粉末粘附在蠟滴顆粒上。

（2） 冷卻后用洗滌劑清洗顆粒外面附著不穩(wěn)的粉末。

（3） 使用5%的過氧化氫溶液置于燒杯中，將固化的二氧化錳投入其中。進(jìn)一步除去表面附著力不夠的粉末，即可得到顆粒狀的催化劑。

用補(bǔ)鞋膠水使二氧化錳粉末顆?；?/p>

實(shí)驗(yàn)藥品： 二氧化錳粉末、補(bǔ)鞋膠水

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 將補(bǔ)鞋膠水滴入二氧化錳粉末中（補(bǔ)鞋膠水為成都因爾達(dá)膠業(yè)有限公司生產(chǎn)），邊滴邊來回?fù)u動(dòng)粉末，當(dāng)?shù)稳?～7滴后，膠水將粉末聚合成小圓球狀。

（2） 固化后的顆粒用洗滌劑反復(fù)洗掉外層沒有粘牢固的粉末后晾干備用。

用補(bǔ)鞋膠水固化二氧化錳粉末，補(bǔ)鞋膠水的主要成分為樹脂，承受溫度在80℃左右，比502膠水承受溫度高，502膠水的主要成分為α氰基丙烯酸乙酯，使用時(shí)在空氣中微量水的催化作用下發(fā)生加聚反應(yīng)生成高分子化合物而粘合物體，承受溫度60～70℃。因補(bǔ)鞋膠水固化速度比502膠水略慢，因此比502膠水固化二氧化錳后的顆粒更接近圓球狀，美觀度更好。

3?用塊狀二氧化錳催化劑做過氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)

常規(guī)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)藥品和儀器： 雙氧水、塊狀或顆粒狀二氧化錳催化劑（上述三種）、試管等

實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象：

（1） 取三支試管，分別放入適量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的過氧化氫溶液和使用適量的三種不同材料制作的塊狀或顆粒狀二氧化錳催化劑。三支試管中的催化劑表面都產(chǎn)生了大量的氣泡，溶液澄清，將帶有火星的木條伸入試管內(nèi)，木條復(fù)燃。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

（2） 將顆粒狀或塊狀的二氧化錳洗凈、晾干、重復(fù)上述操作，現(xiàn)象依然明顯。

制備氧氣的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)藥品和儀器： 藥品同31;儀器為錐形瓶、長(zhǎng)頸漏斗、止氣夾、玻璃導(dǎo)管，紗布

組成如圖1所示的簡(jiǎn)易氣體發(fā)生裝置：

檢查好氣密性，將上面制成的塊狀固體用紗布包裹，用細(xì)線扎好吊于錐形瓶口，將5%的過氧化氫溶液30mL從長(zhǎng)頸漏斗倒入，可以像實(shí)驗(yàn)室制備二氧化碳一樣制備氧氣。收集好一瓶氧氣后，關(guān)閉止氣夾，過氧化氫溶液被壓入長(zhǎng)頸漏斗，反應(yīng)停止，打開止氣夾反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

意外的發(fā)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)中，我們用15%左右的過氧化氫溶液與上述三種塊狀、顆粒狀催化劑進(jìn)行反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)使用補(bǔ)鞋膠和堵漏劑制作的催化劑都可正常使用，而使用蠟燭制作的催化劑出現(xiàn)了石蠟熔化，粉末狀二氧化錳分散在過氧化氫溶液中的情況。究其原因，是因?yàn)檫^氧化氫濃度較大，反應(yīng)速率較快，產(chǎn)生大量的熱，而石蠟根據(jù)成份不同，在47～64℃之間可發(fā)生熔化。因此，某些氣溫較高的地區(qū)不適合使用。

4?結(jié)論

本文提供了三種簡(jiǎn)便易行的制作塊狀、顆粒狀二氧化錳催化劑的方法。具有材料易得、操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、節(jié)約資源等益處。

材料易得

無(wú)論是堵漏劑、白乳膠、蠟燭還是補(bǔ)鞋膠都是生活中常見的物質(zhì)，獲取途徑方便。

操作簡(jiǎn)單

無(wú)論選擇何種材料來固化粉末狀二氧化錳，都只需要簡(jiǎn)單的幾步操作即可。

三種制備氧氣方法比較與建議

三種制備氧氣方法比較

當(dāng)前的初中化學(xué)教材中，只有滬教版介紹氧氣制取時(shí)，教師的演示實(shí)驗(yàn)是用二氧化錳催化過氧化氫分解法。其他版本，或用KMnO4加熱分解法，或用KClO3加熱分解法，學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，人教版安排的也是高錳酸鉀加熱分解法[10]。有研究者對(duì)三種方法作過比較[11]，無(wú)論是從消耗資源、能源還是裝置的簡(jiǎn)便性或者試劑的安全性以及對(duì)環(huán)境的綠色友好等，均是二氧化錳催化H2O2的方法更好[12]。

現(xiàn)行初中教材介紹的3種制備氧氣的方法實(shí)驗(yàn)成本研究結(jié)果表明，按照2015年的試劑價(jià)格，制備32g氧氣時(shí)3種方法不計(jì)算前二者酒精加熱的費(fèi)用，成本依次為： KMnO4 316元>KClO3 84元>H2O2 66元（其中二氧化錳成本4元[13]，如果二氧化錳能夠制備成規(guī)則的顆粒狀便于回收從而反復(fù)使用，則成本僅26元），可以看出還是過氧化氫分解法成本最低。

建議

（1） 實(shí)驗(yàn)儀器試劑供應(yīng)商可以在了解一線學(xué)校和學(xué)科教師需求的基礎(chǔ)上，與試劑生產(chǎn)廠家聯(lián)系，統(tǒng)一生產(chǎn)顆粒狀或者方塊狀的二氧化錳，這樣便于回收和重復(fù)使用，以解決學(xué)科教學(xué)的需求。

（2） 建議在初中化學(xué)教材再次改編時(shí)，無(wú)論是教師演示還是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室制備氧氣時(shí)應(yīng)選擇采用二氧化錳催化過氧化氫分解法，此法不僅材料易得、操作簡(jiǎn)單、成本低，而且更能體現(xiàn)和落實(shí)綠色化學(xué)的理念。

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[10]?王晶， 鄭長(zhǎng)龍. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M]， 北京： 人民教育出版社， 2012： 45～46.

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