淺析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中不同晶型二氧化錳的催化效果及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

王春梅

摘 要：二氧化錳作為一種常見的催化劑，具有催化性能良好、成本低、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。二氧化錳有著較為復(fù)雜的晶型結(jié)構(gòu)，如α、β、γ、λ和δ等五種主晶及30余種次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用壽命等各不相同。筆者所在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的二氧化錳在制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中起不到催化效果，同時筆者經(jīng)過試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的二氧化錳與濃鹽酸不反應(yīng)，為此筆者對本實(shí)驗(yàn)室的二氧化錳進(jìn)行了研究，同時對教材中涉及到二氧化錳部分的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：二氧化錳;催化效果;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

二氧化錳作為一種常見的催化劑，具有催化性能良好、成本低、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。初高中化學(xué)教材中也有二氧化錳作為催化劑的相關(guān)應(yīng)用，如初中化學(xué)教材中提到利用二氧化錳作催化劑加熱分解氯酸鉀制氧氣，人教版高中新教材必修二和選修四也有二氧化錳催化過氧化氫分解制取氧氣的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，課堂上以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來印證二氧化錳的催化效果一定能增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但遺憾的是筆者所在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供的二氧化錳在實(shí)驗(yàn)過程中觀察不到相應(yīng)現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的二氧化錳在制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中確實(shí)沒有催化效果，同時筆者經(jīng)過試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的二氧化錳與濃鹽酸在加熱條件下制氯氣，結(jié)果也不能反應(yīng)，而理論知識告訴我們濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下是可以制氯氣的。為了避免在課堂上使教師處于尷尬境地及影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，筆者查閱資料并設(shè)計了實(shí)驗(yàn)方案從而完解決了這一難題。

人教版高中新教材必修二48頁實(shí)驗(yàn)探究2—6提到：取3只試管各加入2～3mL5%的H2O2溶液，然后給其中兩只試管中分別加MnO2粉末和FeCl3溶液作催化劑，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究反應(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)探究結(jié)束后教材中描述：從實(shí)驗(yàn)2—6我們觀察到，MnO2、FeCl3可以加快H2O2的分解速率，起到了催化劑的作用。

下面是關(guān)于人教版高中新教材必修二48頁【實(shí)驗(yàn)2—6】探究過程。

1.學(xué)生按照教材步驟進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果看到的現(xiàn)象是：加了FeCl3溶液的試管中反應(yīng)速率與不加其它試劑的試管作比較反應(yīng)速率加快，而加了二氧化錳的試管中反應(yīng)速率并沒有加快。

2.學(xué)生探究所得結(jié)論：FeCl3溶液具有催化作用而二氧化錳（MnO2）并不具有催化作用。學(xué)生得出以上結(jié)論后筆者進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與學(xué)生探究結(jié)果一致，接下來筆者進(jìn)行了MnO2催化氯酸鉀粉末制氧氣的實(shí)驗(yàn)，同時做空白實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果MnO2也沒有起到催化效果，由此筆者思考是否本實(shí)驗(yàn)室所提供的MnO2與濃鹽酸在加熱條件下也不能制取氯氣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了筆者的設(shè)想，本實(shí)驗(yàn)室提供的二氧化錳也不能用于制取氯氣。

【解析】如下（筆者查閱資料）：

二氧化錳是一種呈黑色或棕色的固體，經(jīng)常出現(xiàn)于軟錳礦及錳結(jié)核中。二氧化錳主要用途為制造干電池，如碳鋅電池和堿性電池，也常在化學(xué)反應(yīng)中作為催化劑。二氧化錳（MnO2）是一類重要的金屬氧化物材料，作為新型的環(huán)保催化劑，MnO2在過氧化氫分解、亞甲基藍(lán)降解和苯酚的濕法氧化等反應(yīng)中得到了很好的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室中也常利用它的氧化性，和濃HCl作用以制取氯氣：MnO2十4HCl=MnCl2十Cl2十2H2O。

二氧化錳是一種常溫下非常穩(wěn)定的黑色粉末狀固體，其結(jié)構(gòu)是八面體，氧原子在八面體角頂上，錳原子在八面體中，MnO2八面體共棱連接形成單鏈或雙鏈，這些鏈和其它鏈共頂，形成空隙的隧道結(jié)構(gòu)，八面體或成六方密堆積，或成立方密堆積。二氧化錳有著較為復(fù)雜的晶型結(jié)構(gòu)，如α、β、γ、λ和δ等五種主晶及30余種次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用壽命等各不相同，在各種晶型MnO2中λ-MnO2催化活性最差，所以MnO2材料的微觀形貌對于其應(yīng)用有著重要的意義。

筆者推斷實(shí)驗(yàn)室所提供的二氧化錳有可能是活性較差的晶型，性質(zhì)穩(wěn)定而不能起到很好的催化效果。為此，筆者在寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了XRD衍射分析，并與XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行了對比，實(shí)驗(yàn)室所提供二氧化錳為λ-MnO2和Mn3O4的混合物。

為了實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，筆者將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，既解決了實(shí)驗(yàn)室二氧化錳試劑的問題又對實(shí)驗(yàn)室的廢棄殘渣進(jìn)行了回收利用。具體操作方案如下：

【實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案1】將高錳酸鉀加熱制氧氣的殘渣（MnO2）收集后作催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在H2O2和KClO3分解制氧氣的實(shí)驗(yàn)中催化效果很好，所以筆者將實(shí)驗(yàn)室利用高錳酸鉀加熱制氧氣后的殘渣（MnO2）收集并用于催化分解H2O2溶液制氧氣等。

【實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案2】取實(shí)驗(yàn)室久置已變質(zhì)的高錳酸鉀溶液（呈水層和黑色沉淀），過濾，烘干，取2支試管分別加入2～3mL5%的H2O2溶液，再向其中1支試管加入少量烘干后的粉末，觀察到的現(xiàn)象是：加了烘干的粉末的試管中反應(yīng)速率明顯加快。

【解析】如下：

筆者在實(shí)驗(yàn)室中偶然發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室久置的高錳酸鉀溶液中出現(xiàn)了黑色沉淀，分析此黑色固體可能為MnO2，同時想到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供的MnO2起不到催化效果，于是進(jìn)行了上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所回收的MnO2具有良好的催化效果。這樣一來，既回收利用了廢棄物又解決實(shí)驗(yàn)室燃眉之急。接下來將回收所得到的MnO2在氯酸鉀分解制氧氣的實(shí)驗(yàn)中得到了同樣的效果。為了進(jìn)一步研究回收利用的二氧化錳的催化效果，筆者同樣在寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了XRD衍射圖譜，從圖中可以看到，其衍射峰明顯變寬，表明回收得到的二氧化錳屬無定形，與文獻(xiàn)所述二氧化錳有著較為復(fù)雜的晶型結(jié)構(gòu)相一致。

以上兩個實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方案既解決了實(shí)驗(yàn)室試劑的問題又對廢棄物進(jìn)行了回收利用，可謂兩全其美。有人曾經(jīng)把垃圾比成放錯地方的資源，垃圾是可以進(jìn)行分揀再利用的。隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，“廢”會變?yōu)椤皩殹钡模@完全取決于我們的每一個細(xì)小的行為。

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