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(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，寧夏固原756000）

氧氣是人體進(jìn)行新陳代謝的關(guān)鍵物質(zhì)，人體生命活動(dòng)離不開(kāi)氧。通過(guò)呼吸作用把外界的氧轉(zhuǎn)化為人體內(nèi)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(guān)，心臟泵血能力越強(qiáng)，血氧的含量就越高[1]；心臟冠狀動(dòng)脈的輸血能力越強(qiáng)，血氧輸送到心腦及全身的濃度就越高，人體重要器官的運(yùn)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(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)用二氧化錳作為催化劑有明顯的不足。因此，重新選擇對(duì)氯酸鉀分解制氧氣催化效果好的催化劑，在實(shí)際應(yīng)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(shí)發(fā)生下列歧化反應(yīng)：

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(xiàn)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(xué)反應(yīng)是：

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，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(yīng)外，同時(shí)還有下列副反應(yīng)發(fā)生：

由于有副產(chǎn)物氯氣生成，一是導(dǎo)致收集的氧氣純度不高；二是制取過(guò)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(duì)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(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的化學(xué)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中若MnO2與眼睛直接接觸會(huì)造成損傷，侵入機(jī)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(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)到許多方面。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，采用相同條件下，制取相同體積的氧氣所用的時(shí)間來(lái)衡量，用時(shí)越短，表明反應(yīng)速率越快，催化劑活性越高。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

硬質(zhì)大試管(420×150)數(shù)支、500 mL 量筒、水槽、酒精燈、鐵架臺(tái)、導(dǎo)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(shí)驗(yàn)方法

（1）氧氣的制取方法。準(zhǔn)確稱取經(jīng)過(guò)重結(jié)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(dāng)氣體排放連續(xù)后用排水集氣法收集氣體，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用淀粉碘化鉀試紙對(duì)氣體進(jìn)行檢驗(yàn)。

（2）催化劑的回收。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待試管完全冷卻后，用蒸餾水溶解試管中的剩余物質(zhì)，過(guò)濾，將濾渣在坩堝中灼燒，冷卻后稱量回收的催化劑的質(zhì)量。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若從生成200 mL 氧氣所用的時(shí)間來(lái) 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(duì)氯酸鉀分解反應(yīng)催化活性的影響

按照2.1.2 的實(shí)驗(yàn)方法，選用不同的催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 表明，除二氧化錳外，氧化鈣等其余16 種常見(jiàn)化學(xué)試劑對(duì)氯酸鉀分解制氧氣均具有催化效果。若按照開(kāi)始生成氧氣（50 mL）所用的時(shí)間來(lái)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(dāng)收集到氧氣體積大于50 mL時(shí)，Al2O3的催化效果明顯開(kāi)始下降，生成氧氣需要的時(shí)間明顯增加；當(dāng)收集到氧氣體積大于100 mL 時(shí)，MnO2和Al2(SO4)3的催化效果明顯開(kāi)始下降；當(dāng)收集到氧氣體積大于150 mL 時(shí)，NaHSO4的催化效果明顯降低；當(dāng)收集到氧氣體積大于200 mL 時(shí)，PbO2的催化效果明顯降低。在實(shí)驗(yàn)的條件下制取氧氣在50～350 mL 體積范圍內(nèi) ，與 MnO2比 較 ，P2O5，CrO3，F(xiàn)e2O3，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(dāng)，Al2(SO4)3催化效果稍弱于MnO2。

圖1 催化劑種類對(duì)氯酸鉀分解反應(yīng)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(duì)氯酸鉀分解反應(yīng)催化活性的影響

按照2.1.2 的實(shí)驗(yàn)方法，準(zhǔn)確稱取經(jīng)過(guò)重結(jié)晶的氯酸鉀1 g，催化劑的用量依次為氯酸鉀質(zhì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以收集250 mL 氧氣為參照，利用所用的時(shí)間，比較催化劑的催化效果，用時(shí)越少，催化劑的催化效果越好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 催化劑用量對(duì)氯酸鉀分解反應(yīng)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(zhì)分別作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑時(shí)，其與氯酸鉀的質(zhì)量比為1∶1 時(shí)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(shí)，其與氯酸鉀質(zhì)量比為1∶2 時(shí)對(duì)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(zhì)分別作為氯酸解分解制氧氣反應(yīng)的催化劑時(shí)，其與氯酸鉀的質(zhì)量比為1∶3 時(shí)催化效果最佳；氧化鋁、五氧化二釩、三氧化鉬三種物質(zhì)分別作為氯酸鉀分解制氧氣反應(yīng)的催化劑時(shí)，其與氯酸鉀質(zhì)量比為1∶4時(shí)，催化效果最佳。

2.4 催化劑種類對(duì)氧氣逸出速率的影響

按照2.3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和2.1.2 的實(shí)驗(yàn)方法，準(zhǔn)確稱取經(jīng)過(guò)重結(jié)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(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)收集到相同體積的氧氣（50 mL）所用時(shí)間的間隔進(jìn)行氧氣逸出速率的評(píng)價(jià)，時(shí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 催化劑種類對(duì)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(yīng)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(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)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(yīng)有少量的氯氣產(chǎn)生，可能是發(fā)生了下列副反應(yīng)：

（2）除二氧化錳外，氧化鈣等16 種常見(jiàn)化學(xué)試劑對(duì)氯酸鉀分解制氧氣的反應(yīng)都有催化作用，且大部分催化效果好。首次發(fā)現(xiàn)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(jiàn)化學(xué)試劑對(duì)氯酸鉀分解制氧氣的反應(yīng)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(méi)有副反應(yīng)、原料的廉價(jià)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(zhì)代替二氧化錳作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑。其優(yōu)點(diǎn)是首先避免了副產(chǎn)物氯氣的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有白霧產(chǎn)生；其次是催化劑易得，費(fèi)用低廉；第三是實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較安全；第四是實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)使用。