氯酸鉀分解制氧氣催化劑活性的研究

龍冬梅，員蓉，伏彩彩，周孝偉，毛澤川，梁永鋒

（寧夏師范學院化學化工學院，寧夏固原756000）

氧氣是人體進行新陳代謝的關鍵物質，人體生命活動離不開氧。通過呼吸作用把外界的氧轉化為人體內可利用的氧，稱為血氧。血液攜帶血氧向全身輸入能源，血氧的輸送量與心臟、大腦的工作狀態(tài)密切相關，心臟泵血能力越強，血氧的含量就越高[1]；心臟冠狀動脈的輸血能力越強，血氧輸送到心腦及全身的濃度就越高，人體重要器官的運行狀態(tài)就越好[2-3]。分解氯酸鉀是制取氧氣的一種常用方法，利用該方法制取氧氣需要催化劑，但在實際應用中發(fā)現用二氧化錳作為催化劑有明顯的不足。因此，重新選擇對氯酸鉀分解制氧氣催化效果好的催化劑，在實際應用中具有重要的意義。

1 用二氧化錳作為氯酸鉀分解制取氧氣催化劑的不足

一般情況下，氯酸鉀加熱時發(fā)生下列歧化反應：

只有在催化劑的作用下，氯酸鉀加熱才能分解為氯化鉀和氧氣，目前文獻中介紹氯酸鉀制氧氣的催化劑是二氧化錳。二氧化錳催化氯酸鉀分解制取氧氣的化學反應是：

實驗中發(fā)現，用二氧化錳作催化劑，催化氯酸鉀分解除能夠發(fā)生上述反應外，同時還有下列副反應發(fā)生：

由于有副產物氯氣生成，一是導致收集的氧氣純度不高；二是制取過程中收集到的氧氣帶有白霧[4]，且有較濃的刺激性氣味；三是對環(huán)境造成污染；四是氧氣逸出的速率不好控制[5]。

另外，MnO2是化學實驗室常用的化學試劑之一，具有氧化性。雖然一般情況下，MnO2非常穩(wěn)定，但與易燃物放置一起，容易引發(fā)燃燒或爆炸；實驗過程中若MnO2與眼睛直接接觸會造成損傷，侵入機體可造成腦部損傷。

2 氯酸鉀分解制取催化劑活性比較

2.1 氯酸鉀制氧氣催化劑活性比較

催化劑活性比較是一個復雜的問題，設計到許多方面。在中學化學教學中，采用相同條件下，制取相同體積的氧氣所用的時間來衡量，用時越短，表明反應速率越快，催化劑活性越高。

2.1.1 實驗儀器和試劑

硬質大試管(420×150)數支、500 mL 量筒、水槽、酒精燈、鐵架臺、導氣管、單孔橡皮塞、電子分析天平等，氯酸鉀（AR）及催化劑(二氧化錳及替代品)、淀粉試紙等。

2.1.2 實驗方法

（1）氧氣的制取方法。準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g 和催化劑各1 g，充分混合后裝入大試管,先給試管均勻加熱，當氣體排放連續(xù)后用排水集氣法收集氣體，并開始計時，仔細觀察實驗現象。實驗結束后用淀粉碘化鉀試紙對氣體進行檢驗。

（2）催化劑的回收。實驗結束后，待試管完全冷卻后，用蒸餾水溶解試管中的剩余物質，過濾，將濾渣在坩堝中灼燒，冷卻后稱量回收的催化劑的質量。

2.1.3 實驗結果

實驗結果見表1。

表1 氯酸鉀制氧氣催化劑活性Tab.1 Oxygen catalyst activity of potassium chlorate

實驗結果表明，若從生成200 mL 氧氣所用的時間來 看 ，催 化 劑 的 活 性 依 次 為 ：P2O5＞CrO3＞Fe2O3＞Cr2O3＞NaHSO4＞MoO3＞MnSO4＞V2O5＞PbO＞CuO＞PbO2＞ZnO＞MnO2＞MgO＞Al2(SO4)3＞CaO＞Al2O3。

2.2 催化劑種類對氯酸鉀分解反應催化活性的影響

按照2.1.2 的實驗方法，選用不同的催化劑進行試驗，實驗結果見圖1。

圖1 表明，除二氧化錳外，氧化鈣等其余16 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣均具有催化效果。若按照開始生成氧氣（50 mL）所用的時間來看，其催化活性依 次 為 ：P2O5＞CrO3＞Cr2O3＞NaHSO4＞Fe2O3＞MoO3＞MnSO4＞V2O5＞MnO2＞CuO＞PbO2＞PbO＞Al2O3＞Al2（SO4)3＞ZnO＞MgO＞CaO；但是當收集到氧氣體積大于50 mL時，Al2O3的催化效果明顯開始下降，生成氧氣需要的時間明顯增加；當收集到氧氣體積大于100 mL 時，MnO2和Al2(SO4)3的催化效果明顯開始下降；當收集到氧氣體積大于150 mL 時，NaHSO4的催化效果明顯降低；當收集到氧氣體積大于200 mL 時，PbO2的催化效果明顯降低。在實驗的條件下制取氧氣在50～350 mL 體積范圍內 ，與 MnO2比 較 ，P2O5，CrO3，Fe2O3，Cr2O3，NaHSO4，MoO3，MnSO4，V2O5，PbO，CuO，PbO2，ZnO，CaO，MgO 的催化效果明顯優(yōu)于MnO2，Al2O3催化效果與MnO2相當，Al2(SO4)3催化效果稍弱于MnO2。

圖1 催化劑種類對氯酸鉀分解反應催化活性的影響Fig.1 Effect of catalyst type on catalytic activity of potassium chlorate decomposition reaction

2.3 催化劑用量對氯酸鉀分解反應催化活性的影響

按照2.1.2 的實驗方法，準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g，催化劑的用量依次為氯酸鉀質量的1/1（1 g）,1/2（0.5 g），1/3（0.33 g）,1/4（0.25 g）和 1/5（0.20 g）進行實驗，以收集250 mL 氧氣為參照，利用所用的時間，比較催化劑的催化效果，用時越少，催化劑的催化效果越好。實驗結果如圖2所示。

圖2 催化劑用量對氯酸鉀分解反應催化活性的影響Fig.2 Effect of the amount of catalyst on the catalytic activity of potassium chlorate decomposition

圖2 表明，氧化銅、三氧化鉻、五氧化二磷、氧化鐵和硫酸氫鈉5 種物質分別作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑時，其與氯酸鉀的質量比為1∶1 時催化效果最好；二氧化鉛、氧化鋅做氯酸鉀分解制氧氣的催化劑時，其與氯酸鉀質量比為1∶2 時對氯酸鉀分解催化效果最佳；氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鉻、氧化鉛、硫酸錳、硫酸鋁、二氧化錳7 種物質分別作為氯酸解分解制氧氣反應的催化劑時，其與氯酸鉀的質量比為1∶3 時催化效果最佳；氧化鋁、五氧化二釩、三氧化鉬三種物質分別作為氯酸鉀分解制氧氣反應的催化劑時，其與氯酸鉀質量比為1∶4時，催化效果最佳。

2.4 催化劑種類對氧氣逸出速率的影響

按照2.3 的實驗結果和2.1.2 的實驗方法，準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g，選擇催化劑與氯酸鉀最佳的催化活性比例進行試驗，根據收集到相同體積的氧氣（50 mL）所用時間的間隔進行氧氣逸出速率的評價，時間間隔越均勻，氧氣逸出速率越平穩(wěn)，越有利于氧氣的收集和實驗現象的觀察。實驗結果如圖3所示。

圖3 催化劑種類對氧氣逸出速率的影響Fig.3 Effect of the type of catalyst on the oxygen evolution rate

圖3 表明，硫酸鋁、硫酸氫鈉和三氧化二鉻作氯酸鉀分解制取氧氣反應的催化劑，在氧氣體積在50～250 mL之間，氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定，便于收集；氧氣體積大于250 mL 后，氧氣逸出的速率明顯減慢；氧化鋅、氧化鉛、二氧化鉛、氧化鎂、氧化銅、氧化鐵、二氧化錳催化氯酸鉀分解制氧氣，氧氣的體積在50～300 mL 之間，氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定；氧化鈣、氧化鋁、五氧化二釩、五氧化磷、硫酸錳、三氧化鉻和三氧化鉬催化氯酸鉀分解制氧氣，氧氣的體積在50～350 mL 之間，氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定。

3 討論與結論

（1）實驗過程中發(fā)現用三氧化鉻、二氧化鉛、五氧化二釩、三氧化鉬催化氯酸鉀分解反應有少量的氯氣產生，可能是發(fā)生了下列副反應：

（2）除二氧化錳外，氧化鈣等16 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣的反應都有催化作用，且大部分催化效果好。首次發(fā)現氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鉻、三氧化鉻、氧化鉛、二氧化鉛、五氧化二磷、五氧化二釩、三氧化鉬、硫酸氫鈉、硫酸錳和硫酸鋁12 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣的反應有良好的催化效果。

（3）綜合考慮催化效果，氧氣逸出的均勻穩(wěn)定性、易于收集、沒有副反應、原料的廉價和容易得到等因素，優(yōu)先選用氧化鈣、氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁和氧化鎂6 種物質代替二氧化錳作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑。其優(yōu)點是首先避免了副產物氯氣的產生，實驗過程中沒有白霧產生；其次是催化劑易得，費用低廉；第三是實驗過程比較安全；第四是實驗結束后催化劑（氧化鈣、氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁和氧化鎂）回收方便，可反復使用。