對(duì)過(guò)氧化氫分解催化劑的探究

一、提出問(wèn)題

小明同學(xué)學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)室制取氧氣后，對(duì)催化劑及其催化作用非常感興趣。通過(guò)學(xué)習(xí)小明知道，催化劑是能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，但本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生變化的物質(zhì)。在二氧化錳的催化作用下，過(guò)氧化氫分解生成水和氧氣。通過(guò)課外閱讀小明又知道，氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、硫酸銅溶液等對(duì)過(guò)氧化氫的分解也具有催化作用。紅磚粉是日常生活中常見的物質(zhì)，小明想通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究紅磚粉對(duì)過(guò)氧化氫分解是否有催化作用，及氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對(duì)過(guò)氧化氫分解的催化效果是否相同。

二、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)分析催化劑的概念，小明認(rèn)為要證明紅磚粉是過(guò)氧化氫分解的催化劑，需要證明紅磚粉能改變過(guò)氧化氫的分解速率，而它本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后并沒(méi)有發(fā)生改變。因此需要設(shè)計(jì)三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證紅磚粉能改變過(guò)氧化氫的分解速率、在化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)1：探究紅磚粉能否改變過(guò)氧化氫的分解速率。

在兩支試管中分別加入5毫升5%的過(guò)氧化氫溶液，向其中一支試管中加入0.5 g 紅磚粉，觀察現(xiàn)象。加入紅磚粉的試管中有氣泡產(chǎn)生，沒(méi)有加紅磚粉的試管中氣泡產(chǎn)生得非常慢、氣泡很小。

得出結(jié)論：紅磚粉能加快過(guò)氧化氫的分解速率。

實(shí)驗(yàn)2：探究紅磚粉在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)是否改變。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)1中加入紅磚粉的試管中不再產(chǎn)生氣泡時(shí)，加入過(guò)氧化氫溶液，用帶火星的木條檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有氣泡產(chǎn)生、木條復(fù)燃。當(dāng)不再產(chǎn)生氣泡時(shí)，再加入過(guò)氧化氫溶液，還能觀察到有氣泡產(chǎn)生。這說(shuō)明紅磚粉不是反應(yīng)物，在反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有消耗，而且在反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變。

得出結(jié)論：紅磚粉在化學(xué)反應(yīng)前后化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變。

實(shí)驗(yàn)3：探究紅磚粉在化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量是否改變。

實(shí)驗(yàn)2 結(jié)束后，過(guò)濾、洗滌、干燥、稱量紅磚粉的質(zhì)量，紅磚粉質(zhì)量仍為0.5 g。

圖1

圖2

得出結(jié)論：在化學(xué)反應(yīng)前后紅磚粉的質(zhì)量沒(méi)有發(fā)生改變，紅磚粉是過(guò)氧化氫分解的催化劑。

四、深入探究

實(shí)驗(yàn)4：探究氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對(duì)過(guò)氧化氫分解的催化效果是否相同。

在點(diǎn)滴板上分別量取等量的氧化銅、氧化鐵、紅磚粉和二氧化錳粉末，然后分別滴加5%的過(guò)氧化氫溶液，觀察現(xiàn)象。

如圖1，向氧化銅粉末上滴加5%的過(guò)氧化氫溶液，產(chǎn)生黃豆大小的氣泡，反應(yīng)速率明顯變快；向氧化鐵粉末上滴加5%的過(guò)氧化氫溶液，產(chǎn)生綠豆大小的氣泡，反應(yīng)速率變快；向紅磚粉上滴加5%的過(guò)氧化氫溶液，產(chǎn)生微小的氣泡，反應(yīng)較慢；向二氧化錳固體上滴加5%的過(guò)氧化氫溶液，立即產(chǎn)生大的氣泡并迅速破裂，反應(yīng)迅速。

通過(guò)比較得出結(jié)論：這四種物質(zhì)在催化過(guò)氧化氫分解時(shí)，紅磚粉效果最差、二氧化錳效果最好，因此實(shí)驗(yàn)室用過(guò)氧化氫分解制氧氣時(shí)常用二氧化錳作為催化劑。

小明同學(xué)通過(guò)對(duì)過(guò)氧化氫分解催化劑的探究，加深了對(duì)催化劑概念的理解，知道了氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對(duì)過(guò)氧化氫分解都有催化作用，但效果不同，其中二氧化錳的催化效果最好。

五、總結(jié)提升

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，小明同學(xué)加深了對(duì)催化劑及其催化作用的理解。催化劑是相對(duì)于某一反應(yīng)或某一類反應(yīng)而言的，不能說(shuō)某種物質(zhì)是催化劑。比如，不能說(shuō)二氧化錳是催化劑，可以說(shuō)二氧化錳是過(guò)氧化氫或氯酸鉀分解的催化劑。在加熱高錳酸鉀生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣的反應(yīng)中，二氧化錳是一種生成物。催化劑能改變物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，但不能改變生成物的質(zhì)量。同一化學(xué)反應(yīng)可以有多種催化劑，但催化效果不同。

催化劑在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。在石油煉制、汽車尾氣處理、釀酒釀醋等釀造業(yè)和制藥工業(yè)中要用到酶作為催化劑。人體在消化吸收食物時(shí)也要用到多種酶作為催化劑。比如在吃饅頭時(shí)，唾液淀粉酶能起催化作用，把饅頭中的淀粉轉(zhuǎn)化為麥芽糖。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)探究，也使小明感受到化學(xué)與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，激發(fā)了其學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

最后，小明用思維導(dǎo)圖記錄了自己的探究過(guò)程（如圖2）。